Metelau drwg sy’n dda bellach: yr allwedd i gludo ynni cynaliadwy

Mae gwyddonwyr Prifysgol Caerdydd wedi cysylltu â'u cyfoedion yn Brasil ym mis Hydref 2022, ar draws Caerdydd a Cuiabá, i droi metelau drwg yn dda ym myd cludo ynni.

Mewn ymdrech ryngwladol, ymunodd gwyddonwyr o Brifysgol Ffederal Mato Grosso (Brasil) a Phrifysgol Caerdydd dros y maes ymchwil pwysig a blaengar hwn.

Eu hymdrech yw dangos sut y gall defnyddio cyfuniad o gyfrifiadau uwch a gwybodaeth am briodweddau cemegol a ffisegol droi strwythur crisial metelau 'drwg' yn 'dda', fel y gallant ddod yn uwch-ddargludyddion tymheredd uchel.

Pan fyddwn yn sôn am fetelau 'drwg', rydym yn cyfeirio at y ffaith eu bod yn gweithredu fel dargludyddion aneffeithlon o dan amodau mwy arferol.

Mae angen metelau 'da' felly i sicrhau arferion gwyrdd, cynaliadwy mewn Cemeg yn y dyfodol, ac yn benodol wrth drosglwyddo ynni.

Mae chwilio parhaus heddiw am strategaethau cynhyrchu ynni cynaliadwy ac adnewyddadwy, yn aml yn wynebu'r her o ddosbarthu ynni o bwerdai o bell i ddefnyddwyr. Mae'r dull hwn yn llai na delfrydol oherwydd bod cludo trydan ar hyd gwifrau metel confensiynol yn cynnwys colledion gwres sylweddol oherwydd gwrthiant trydanol y gwifrau.

Mantais uwch-ddargludyddion yw bod ganddynt wrthiant trydanol sero. Sydd wrth gwrs wedyn yn golygu eu bod yn cynhyrchu dim gwres o'u defnyddio i gludo ynni ac felly'n hynod effeithlon a chynaliadwy.

Felly, mantais yr uwchddargludydd tymheredd uchel yw eu bod yn addo trosglwyddo heb boeni am golledion, hyd yn oed dros bellteroedd hir.

Fodd bynnag, mae'n hysbys y gall deunyddiau ddod yn uwchddargludyddion ar dymheredd isel iawn yn unig, a rhaid oeri'r rhan fwyaf o fetelau i bron sero absoliwt (-273.15 °C ) i'r rhinweddau uwchddargludol ddod i'r amlwg.

Mae'r uwchddargludyddion tymheredd uchaf rydym yn gwybod amdanynt ar hyn o bryd wedi'u seilio ar gopr ocsid (CuO₂). Trwy ychwanegu metelau eraill at y cymysgedd mae'r deunyddiau hyn a elwir yn cuprates wedi gwthio'r tymheredd ar gyfer uwchddargludo hyd at -135 °C. Mae hyn yn dal i fod angen rheweiddio sylweddol ac felly dim ond at gymwysiadau arbenigol y’u defnyddir, ac nid at drosglwyddo pŵer.

Er bod y deunyddiau cwprit hyn yn uwchddargludol ar dymheredd isel, maent yn ddargludyddion aneffeithlon o dan amodau mwy arferol ac felly gellir meddwl amdanynt fel metelau "drwg".

Rhoddwyd y ddamcaniaeth wreiddiol am uwchddargludo gan Bardeen-Cooper a Schrieffer ym 1957, ac yn fwy diweddar, mae amnewid copr gan nicel mewn cyfansoddion ocsid cyfatebol wedi agor maes ymchwil newydd, lle mae cemeg yn chwarae'r rôl allweddol wrth ddatblygu'r broses gywir ar gyfer syntheseiddio'r metelau 'drwg', ‘rhyfedd’ hyn.

Mae cam allweddol yn cynnwys tiwnio'r synthesis i greu nifer penodol o electronau fesul atom o nicel sy’n debyg i'r ocsidau copr. O bwysigrwydd i uwchddargludedd yw'r angen i gyfyngu electronau mewn mannau cul, yn ddigon agos i ffurfio parau Cooper, ond heb fod yn rhy agos eu bod mewn perygl o leihau dargludedd.

Yn y gwaith hwn, defnyddir cyfrifiadau blaengar i ymchwilio i sut mae'r rhyngweithio rhwng egni cinetig electronau a rhyngweithiadau rhwng electronau lleol yn gyrru meteledd drwg i gyflwr uwchddargludol anghonfensiynol, a sut y gall cemeg ddefnyddio'r wybodaeth hon ar gyfer uwch-ddargludyddion tymheredd-uchel gwell, cynaliadwy.

L. Craco, A. S. de Arruda, S. Leoni, Emergent normal-state Mottness in the infinite-layer NdNiO₂ superconductor, Phys Rev Research 4, 043036 (2022).