Superprevodnost je bila nepričakovana nagrada
Pogovarjali smo se s Primožem Koželjem, dobitnikom zlatega znaka IJS za raziskavo visokoentropijskih zlitin in prvopodpisanim pod članek o odkritju prve superprevodne visokoentropijske zlitine, ki je bil objavljen v reviji Physical Review Letters.
Odpri galerijo
Dr. Primož Koželj je polovično zaposlen na Institutu Jožef Stefan, polovično pa na Fakulteti za matematiko in fiziko. Foto Jože Suhadolnik
Ob študiju fizike je Primož Koželj že med pisanjem diplomske naloge začel delati v laboratoriju pod mentorstvom prof. dr. Janeza Dolinška, kjer je nato ostal kot mladi raziskovalec in tudi po opravljenem doktoratu. Poučuje na Fakulteti za matematiko in fiziko Univerze v Ljubljani, julija pa odhaja na podoktorski študij na inštitut Maxa Plancka v Dresdnu. Zaposlen je polovično na Institutu Jožef Stefan in polovično na fakulteti.
Dokumentiran je poskus oblikovanja takšne zlitine v 18. ali 19. stoletju. Kasneje so o zlitinah pridobivali vse več znanja, med drugim so ugotovili, da se imajo nekateri atomi med sabo raje kot drugi. Zanimive zlitine iz pet ali več elementov naj bi zato kar vse po vrsti preprosto razpadle, saj to želijo privlaki in odboji med atomi.
Še na začetku tega tisočletja je bilo tako splošno sprejeto, da takšnih zlitin ne bo nikoli mogoče izdelati in da je bedak tisti, ki bi poskušal. Potem so tajvanski znanstveniki dokazali, da vse ni tako črno, kot bi pričakovali, in da lahko namesto pričakovanih petih ali desetih enostavnih faz nastaneta dve ali včasih celo ena zanimiva faza, ki res vsebuje vseh pet ali več elementov.
Prva objava je bila okoli leta 2005, so pa dolgo odlašali z njo, ker so verjetno upali na tehnološko prednost in komercialno korist.
Vzorec, ki so ga sintetizirali kolegi v Nemčiji in Švici in je bil glavna tema mojega doktorata, je bil prvi vzorec visokoentropijske zlitine, ki je kadarkoli prišel v naš laboratorij. Ker je bil vzorec kvalitetnejši od tistih v dotedanjih objavah, je bilo smiselno najprej opraviti nekaj meritev, da bi ugotovili, ali so lastnosti podobne do tedaj objavljenim ali je kaj bistveno drugače. Visoko električno upornost zaradi nereda, kot smo predvidevali po pregledu literature, smo dobili, padec upornosti na nič oziroma pojav superprevodnosti pa je bil lep in nepričakovan dodatek.
Neskončno nehvaležno in skoraj nemogoče je predvideti, kakšna bo fizikalna lastnost za kovino, ki temelji na petih večinskih elementih, zastopanih v približno enakovrednih razmerjih, glede na to, da so bile vse dotedanje izkušnje z zlitinami, ki imajo samo enega ali dva večinska elementa.
Pogosto slišimo, da narava preferira stanja z najnižjo energijo – na primer, žoga se ustavi na dnu kotanje, ker ima tam najnižjo energijo. Ta ideja je sicer pravilna, a nezadostna, da bi opisali vse pojave, ki jih opazimo v vsakdanjem življenju. Če recimo kanemo kapljico črnila v kozarec vode, ne pride do mešanja zaradi tega, ker bi narava iskala najnižjo energijo, ampak ker se molekule črnila premikajo med molekulami vode in po nekaj časa dobimo verjetnejšo naključno premešano tekočino. Narava torej teži tudi k neredu na skali majhnih gradnikov, atomov ali molekul – ta nered opišemo s količino, ki ji rečemo entropija.
Ker se majhni gradniki, na primer atomi, bolj premikajo pri visokih temperaturah, je tam mehanizem iskanja nereda oziroma strokovno »maksimizacije entropije« močnejši. Pri visokoentropijskih zlitinah se atomi različnih atomskih vrst lahko popolnoma naključno gibljejo in mešajo med sabo, ko je zlitina še v obliki taline ter ob začetku ohlajanja, ko je sicer že trdna, a tik pod tališčem – tam je torej v igri visoka entropija, po kateri so te zlitine dobile ime. Ključno pa je veliko število kemijskih elementov, pet ali več v takšnih zlitinah, ker sicer nered oziroma entropija ne bi bila dovolj zanimiva in bi narava raje poiskala kakšno kombinacijo enostavnejših kovin s konkurenčnim mehanizmom iskanja najnižje energije.
Po dosedanjih izkušnjah naše raziskovalne skupine je nabor različnih zlitin tako velik, da nimajo nekih splošnih lastnosti, ki bi bile skupne vsem, razen za kovine relativno visoke električne upornosti.
Uporabne lastnosti, ki jih najdemo v literaturi, so večinoma mehanske: visoka trdnost ob nizki gostoti oziroma masi materiala, odpornost mehanskih lastnosti materiala proti visokim temperaturam, majhna krhkost pri ekstremno nizkih temperaturah. Za superprevodnost visokoentropijskih zlitin bi bilo možno, da na dolgi rok postane relevantna v aplikacijah, če se bo izkazalo, da je možno z optimizacijami dovolj izboljšati superprevodne lastnosti, da kombinacija teh z dobrimi mehanskimi lastnostmi postane praktično mikavna.
Sam ta hip glede uporabe v kontekstu fizikalnih lastnosti vidim največjo priložnost v visokoentropijskih zlitinah kot magnetnih materialih. Tu je dobro, da imamo možnost dizajna zlitin z zamenjavami elementov in različno termično obdelavo. Sodeč po naši zadnji raziskavi lahko s tema dvema lastnostma dobimo zelo ugodno nanostrukturo, podobno, kot je v najboljših komercialnih mehkih materialih. Kljub vsemu mislim, da pri uporabi v industriji še nismo povsem tam. Veliko je obetov, prepričljivih rezultatov pa še ni. Malo še tipamo.
Kar zadeva kakovost raziskovalnega dela, ki smo ga sposobni opraviti, imam zelo pozitivne občutke – menim, da se vsekakor lahko kosamo z večjimi in bolj razvitimi evropskimi narodi, na primer Francozi in Nemci. Poleg tega opažam, da smo na inštitutu in fakulteti s tovariškim prenašanjem znanja s starejših na mlajše kolege sposobni zgraditi kontinuiteto in bazo znanja, ki je lahko naša prednost pred tujino. Razliko do razvitejših naredita količina financiranja in podpore, sploh za najbolj »vroča« ali tehnološko pomembna raziskovalna področja, kjer večje države včasih vložijo velikanske vsote in so zaradi tega bistveno pred nami. Upam, da bomo v prihodnosti sposobni še več vlagati v znanost, znanje, ki ga pridobimo, pa bolj učinkovito preliti v visokotehnološke storitve ali podjetja in s tem tudi v korist za družbo oziroma dobiček.
Superpresenečenje pri superkovinah se imenuje superprevodnost
Najprestižnejše podjetje s 500 doktorji znanosti
Najprestižnejše podjetje s 500 doktorji znanosti
Zakaj že davno niso mešali zlitin na tak način, v enakih razmerjih?
Dokumentiran je poskus oblikovanja takšne zlitine v 18. ali 19. stoletju. Kasneje so o zlitinah pridobivali vse več znanja, med drugim so ugotovili, da se imajo nekateri atomi med sabo raje kot drugi. Zanimive zlitine iz pet ali več elementov naj bi zato kar vse po vrsti preprosto razpadle, saj to želijo privlaki in odboji med atomi.
»Še na začetku tega tisočletja je bilo tako splošno sprejeto, da takšnih zlitin ne bo nikoli mogoče izdelati in da je bedak tisti, ki bi poskušal.«
Še na začetku tega tisočletja je bilo tako splošno sprejeto, da takšnih zlitin ne bo nikoli mogoče izdelati in da je bedak tisti, ki bi poskušal. Potem so tajvanski znanstveniki dokazali, da vse ni tako črno, kot bi pričakovali, in da lahko namesto pričakovanih petih ali desetih enostavnih faz nastaneta dve ali včasih celo ena zanimiva faza, ki res vsebuje vseh pet ali več elementov.
To je torej zelo mlada znanost?
Prva objava je bila okoli leta 2005, so pa dolgo odlašali z njo, ker so verjetno upali na tehnološko prednost in komercialno korist.
Takšne zlitine so pred vami raziskovali predvsem zaradi mehanskih lastnosti, vi pa ste se prvi poglobili v prevodnost. Glede na to, da superprevodnost pri teh kovinah prej ni bila znana in da vas je, kot pravite, lastno odkritje presenetilo: ali ste upali, da lahko pri nizkih temperaturah pride do superprevodnosti, ali pa ste samo preverjali lastnosti zlitine in med drugim merili tudi upornost?
Vzorec, ki so ga sintetizirali kolegi v Nemčiji in Švici in je bil glavna tema mojega doktorata, je bil prvi vzorec visokoentropijske zlitine, ki je kadarkoli prišel v naš laboratorij. Ker je bil vzorec kvalitetnejši od tistih v dotedanjih objavah, je bilo smiselno najprej opraviti nekaj meritev, da bi ugotovili, ali so lastnosti podobne do tedaj objavljenim ali je kaj bistveno drugače. Visoko električno upornost zaradi nereda, kot smo predvidevali po pregledu literature, smo dobili, padec upornosti na nič oziroma pojav superprevodnosti pa je bil lep in nepričakovan dodatek.
»Padec upornosti na nič oziroma pojav superprevodnosti je bil lep in nepričakovan dodatek.«
Neskončno nehvaležno in skoraj nemogoče je predvideti, kakšna bo fizikalna lastnost za kovino, ki temelji na petih večinskih elementih, zastopanih v približno enakovrednih razmerjih, glede na to, da so bile vse dotedanje izkušnje z zlitinami, ki imajo samo enega ali dva večinska elementa.
Kako se takšne zlitine sploh stabilizirajo oziroma kako se lahko material stabilizira z maksimiziranjem entropije, se pravi tako, da se nered poveča do kaosa?
Pogosto slišimo, da narava preferira stanja z najnižjo energijo – na primer, žoga se ustavi na dnu kotanje, ker ima tam najnižjo energijo. Ta ideja je sicer pravilna, a nezadostna, da bi opisali vse pojave, ki jih opazimo v vsakdanjem življenju. Če recimo kanemo kapljico črnila v kozarec vode, ne pride do mešanja zaradi tega, ker bi narava iskala najnižjo energijo, ampak ker se molekule črnila premikajo med molekulami vode in po nekaj časa dobimo verjetnejšo naključno premešano tekočino. Narava torej teži tudi k neredu na skali majhnih gradnikov, atomov ali molekul – ta nered opišemo s količino, ki ji rečemo entropija.
»Narava teži tudi k neredu na skali majhnih gradnikov, atomov ali molekul – ta nered opišemo s količino, ki ji rečemo entropija.«
Ker se majhni gradniki, na primer atomi, bolj premikajo pri visokih temperaturah, je tam mehanizem iskanja nereda oziroma strokovno »maksimizacije entropije« močnejši. Pri visokoentropijskih zlitinah se atomi različnih atomskih vrst lahko popolnoma naključno gibljejo in mešajo med sabo, ko je zlitina še v obliki taline ter ob začetku ohlajanja, ko je sicer že trdna, a tik pod tališčem – tam je torej v igri visoka entropija, po kateri so te zlitine dobile ime. Ključno pa je veliko število kemijskih elementov, pet ali več v takšnih zlitinah, ker sicer nered oziroma entropija ne bi bila dovolj zanimiva in bi narava raje poiskala kakšno kombinacijo enostavnejših kovin s konkurenčnim mehanizmom iskanja najnižje energije.
Kakšne fizikalne in magnetne posebnosti pa imajo takšne zlitine in zakaj so te lastnosti uporabne?
Po dosedanjih izkušnjah naše raziskovalne skupine je nabor različnih zlitin tako velik, da nimajo nekih splošnih lastnosti, ki bi bile skupne vsem, razen za kovine relativno visoke električne upornosti.
V katero smer bo šlo raziskovanje in kakšno praktično uporabnost pričakujete od teh materialov?
Uporabne lastnosti, ki jih najdemo v literaturi, so večinoma mehanske: visoka trdnost ob nizki gostoti oziroma masi materiala, odpornost mehanskih lastnosti materiala proti visokim temperaturam, majhna krhkost pri ekstremno nizkih temperaturah. Za superprevodnost visokoentropijskih zlitin bi bilo možno, da na dolgi rok postane relevantna v aplikacijah, če se bo izkazalo, da je možno z optimizacijami dovolj izboljšati superprevodne lastnosti, da kombinacija teh z dobrimi mehanskimi lastnostmi postane praktično mikavna.
»Glede uporabe v kontekstu fizikalnih lastnosti vidim največjo priložnost v visokoentropijskih zlitinah kot magnetnih materialih.«
Sam ta hip glede uporabe v kontekstu fizikalnih lastnosti vidim največjo priložnost v visokoentropijskih zlitinah kot magnetnih materialih. Tu je dobro, da imamo možnost dizajna zlitin z zamenjavami elementov in različno termično obdelavo. Sodeč po naši zadnji raziskavi lahko s tema dvema lastnostma dobimo zelo ugodno nanostrukturo, podobno, kot je v najboljših komercialnih mehkih materialih. Kljub vsemu mislim, da pri uporabi v industriji še nismo povsem tam. Veliko je obetov, prepričljivih rezultatov pa še ni. Malo še tipamo.
Poleti odhajate v Nemčijo. S kakšnimi občutki zapuščate Slovenijo? Kakšne se vam zdijo razmere za raziskovanje pri nas?
Kar zadeva kakovost raziskovalnega dela, ki smo ga sposobni opraviti, imam zelo pozitivne občutke – menim, da se vsekakor lahko kosamo z večjimi in bolj razvitimi evropskimi narodi, na primer Francozi in Nemci. Poleg tega opažam, da smo na inštitutu in fakulteti s tovariškim prenašanjem znanja s starejših na mlajše kolege sposobni zgraditi kontinuiteto in bazo znanja, ki je lahko naša prednost pred tujino. Razliko do razvitejših naredita količina financiranja in podpore, sploh za najbolj »vroča« ali tehnološko pomembna raziskovalna področja, kjer večje države včasih vložijo velikanske vsote in so zaradi tega bistveno pred nami. Upam, da bomo v prihodnosti sposobni še več vlagati v znanost, znanje, ki ga pridobimo, pa bolj učinkovito preliti v visokotehnološke storitve ali podjetja in s tem tudi v korist za družbo oziroma dobiček.
