Магнезиум диборид

Магнезиум диборид — неорганско соединение со формула MgB2. Тоа е темно сива цврста супстанца која не е растворлива во вода. Соединението привлекло внимание бидејќи станува суперспроводливо на 39К (-234 °C). Во однос на неговиот состав, MgB2 неверојатно се разликува од повеќето суперпроводници со ниска температура, кои се одликуваат главно со преодни метали. Неговиот суперспроводлив механизам првенствено е опишан со BCS теоријата.

Суперспроводливост

Суперспроводливите својства на магнезиум диборид биле откриени во 2001 година  Неговата критична температура (Tc) од 39 K (−234 °C; −389 °F) е највисок меѓу конвенционалните суперпроводници. Меѓу конвенционалните (посредувани од фонон) суперпроводници, тоа е невообичаено. Неговата електронска структура е таква што постојат два типа на електрони на ниво на Ферми со широко различно однесување, еден од нив (сигма-врзување) е многу посилно суперспроводлив од другиот (пи-врзување). Ова е во спротивност со вообичаените теории за суперспроводливост посредувана од фонон, кои претпоставуваат дека сите електрони се однесуваат на ист начин. Теоретското разбирање на својствата на MgB2 е речиси постигнато со моделирање на два енергетски празнини. Во 2001 година се сметало дека се однесува повеќе како метален отколку како купратен суперпроводник.

Полумајснерска состојба
Користејќи ја BCS теоријата и познатите енергетски празнини на пи и сигма појасите на електроните (2,2 и 7,1 meV, соодветно), било откриено дека пи и сигма појасите на електроните имаат две различни должини на кохерентност (51 nm и 13 nm, соодветно). Соодветните длабочини на пенетрација во Лондон се 33,6 nm и 47,8 nm. Ова имплицира дека параметрите Гинзбург-Ландау се 0,66±0,02 и 3,68, соодветно. Првиот е помал од 1/ √2, а вториот е поголем, затоа се чини дека првото укажува на маргинална суперспроводливост од тип I, а вториот тип II суперспроводливост.

Предвидено е дека кога две различни појаси на електрони даваат две квазичестички, од кои едната има должина на кохерентност што би укажала на суперспроводливост од тип I, а едната би означувала тип II, тогаш во одредени случаи, вртлозите се привлекуваат на долги растојанија и се одбиваат на кратки растојанија. Особено, потенцијалната енергија помеѓу вртлозите е минимизирана на критично растојание. Како последица на тоа, постои претпоставена нова фаза наречена полу-мајснерова состојба, во која вртлозите се одделени со критичното растојание. Кога применетиот флукс е премногу мал за целиот суперпроводник да се наполни со решетка од вртлози одделени со критичното растојание, тогаш постојат големи региони од тип I суперспроводливост, состојба на Мајснер, кои ги одвојуваат овие области.

Експериментална потврда за оваа претпоставка пристигнала неодамна во експериментите со MgB2 на 4,2 Келвини. Авторите откриле дека навистина постојат режими со многу поголема густина на вител. Со оглед на тоа што типичната варијација на растојанието помеѓу вртлозите на Абрикосов во суперпроводник тип II е од редот 1%, тие откриле варијација од редот 50%, во согласност со идејата дека вртлозите се собираат во домени каде што може да се разделат со критичното растојание. За оваа состојба е измислен терминот суперспроводливост тип-1.5

Синтеза

Магнезиум диборид бил синтетизиран и неговата структура била потврдена во 1953 година. Наједноставната синтеза вклучува реакција на висока температура помеѓу прашокот на бор и магнезиум.  Формирањето започнува на 650 °C; сепак, бидејќи металот на магнезиум се топи на 652 °C, реакцијата може да вклучи дифузија на пареа на магнезиум преку границите на боровите зрна. На конвенционалните температури на реакцијата, синтерувањето е минимално, иако рекристализацијата на зрната е доволна за Џозефсоновиот тунелски ефект помеѓу зрната. 

Суперспроводливата жица од магнезиум диборид може да се произведува преку процесите на прашок во цевка (PIT) ex situ и in situ.  Во in situ варијантата, мешавина од бор и магнезиум се намалува во пречник со конвенционално цртање на жица. Жицата потоа се загрева до температурата на реакција за да се формира MgB2. Во ex situ варијантата, цевката се полни со прашок MgB2, намален во дијаметар и синтерувана на 800 до 1000 °C. Во двата случаи, подоцна топло изостатско пресување на приближно 950 °C дополнително ги подобрува својствата. 

Алтернативна техника, откриена во 2003 година, користи реактивна течна инфилтрација на магнезиум во грануларна преформа од бор во прав и била наречена техника Mg-RLI. Методот овозможил производство и на натрупани материјали со висока густина (повеќе од 90% од теоретската густина за MgB2) и на специјални шупливи влакна. Овој метод е еквивалентен на слични методи засновани на раст на топење, како што е методот на инфилтрација и обработка на раст што се користи за производство на големи суперпроводници YBCO каде што несуперспроводливиот Y2 BaCuO5 се користи како грануларна преформа во која се инфилтрираат течни фази базирани на YBCO за да се направи суперпроводлив YBCO рефус. Овој метод е копиран и адаптиран за MgB2 и ребрендиран како Реактивна течна инфилтрација на Mg. Процесот на реактивна инфилтрација на течност со Mg во борна преформа за да се добие MgB2 е предмет на патентни пријави од италијанската компанија Edison Sp А. 

Хибридното физичко-хемиско таложење на пареа (HPCVD) е најефективната техника за таложење на тенки фолии од магнезиум диборид (MgB2).  Површините на MgB2 филмовите депонирани од други технологии обично се груби и нестехиометриски. Спротивно на тоа, системот HPCVD може да одгледува висококвалитетни in situ чисти MgB2 филмови со мазни површини, кои се потребни за да се направат репродуктивни еднообразни Џозефсонови споеви, основниот елемент на суперспроводливите кола.

Електромагнетни својства

Својствата во голема мера зависат од составот и процесот на изработка. Многу својства се анизотропни поради слоевитата структура. „Валканите“ примероци, на пр., со оксиди на кристалните граници, се разликуваат од „чистите“ примероци.

 Највисоката суперспроводлива преодна температура Tc е 39 К.
 MgB2 е суперпроводник од типот II, односно растечкото магнетно поле постепено продира во него.
Максималната критична струја (Jc) е: 105 A/m 2 при 20 T, 10 6 A/m 2 при 18 T, 10 7 A/m 2 при 15 T, 10 8 A/m 2 при 10 T, 10 9 A/m 2 во 5 Т. 
 Од 2008 г: Горно критично поле (Hc2): (паралелно со ab рамнините) е ~14 T, (нормално на ab рамнините) ~3 T, во тенки филмови до 74 T, во влакна до 55 T.

Подобрување

Различни средства за допинг на MgB2 со јаглерод (на пр. со користење на 10% јаболкова киселина) може да го подобрат горното критично поле и максималната густина на струјата (исто така со поливинил ацетат).

5% допинг со јаглерод може да го подигне Hc2 од 16 на 36 T додека го спушти Tc само од 39 K на 34 K. Максималната критична струја (Jc) е намалена, но допингот со TiB 2 може да го намали намалувањето. (Допинг MgB2 со Ti е патентиран)

Максималната критична струја (Jc) во магнетното поле е значително зголемена (приближно двојно на 4,2 K) со допинг со ZrB 2.

Дури и малите количини на допинг ги водат двата бендови во режимот тип II и затоа не може да се очекува полу-Мајснер состојба.

Топлинска спроводливост

MgB2 е суперпроводник со повеќе опсег, односно секоја површина на Ферми има различен суперспроводлив енергетски јаз. За MgB2, сигма врската на борот е силна и индуцира голем s-бран суперспроводен јаз, а врската pi е слаба и индуцира мал јаз на s-бран. Квазичестичките состојби на вртлозите на голем јаз се многу ограничени на јадрото на вител. Од друга страна, квазичестичките состојби на мал јаз се лабаво врзани за јадрото на вител. Така тие можат да се делокализираат и лесно да се преклопуваат помеѓу соседните вртлози. Ваквата делокализација може силно да придонесе за топлинската спроводливост, која покажува нагло зголемување над Hc1 .

Можни апликации
Суперпроводници
Суперспроводливите својства и ниската цена го прават магнезиум диборид привлечен за различни апликации. За тие апликации, прашокот MgB2 се компресира со сребрен метал (или нерѓосувачки челик 316) во жица, а понекогаш и лента преку процесот Powder-in-tube.

Во 2006 година бил изграден суперспроводлив систем со отворена МНР од 0,5 тесла користејќи 18 км жици MgB2. Оваа магнетна резонанца користела криокулер со затворена јамка, без да бара надворешно испорачани криогени течности за ладење
. „...инструментите за МРИ следната генерација мора да бидат направени од калеми MgB2 наместо NbTi калеми, кои работат во опсег од 20–25 K без течен хелиум за ладење. . . . Покрај примената на магнет, проводниците MgB2 имаат потенцијална употреба во суперспроводливи трансформатори, ротори и преносни кабли на температури од околу 25 K, на полиња од 1 T.“

Проектот во ЦЕРН за производство на кабли MgB2 резултирал со суперспроводливи тест кабли способни да носат 20.000 ампери за апликации за дистрибуција на екстремно висока струја, како што е надградбата со висока осветленост на Големиот хадронски судирачCERN high current project.

Дизајнот ИГНИТОР-токмак бил базиран на MgB2 за неговите полоидални намотки. Дизајнот ИГНИТОР-токмак бил базиран на MgB2 за неговите полоидални намотки.

Тенките облоги може да се користат во шуплините на суперспроводливи радиофреквенции за да се минимизира загубата на енергија и да се намали неефикасноста на шуплините на ниобиум ладени со течен хелиум.

Поради ниската цена на неговите составни елементи, MgB2 ветува употреба во суперспроводливи магнети со ниско до средно поле, електрични мотори и генератори, ограничувачи на струјата на дефект и струјни кабли. 

Погонски, експлозиви и пиротехнички средства
За разлика од елементарниот бор чие согорување е нецелосно преку стаклестиот оксид обложен што ја попречува дифузијата на кислородот, магнезиум диборид целосно согорува кога ќе се запали во кислород или во мешавини со оксидатори.  Така, магнезиум борид е предложен како гориво во овните млазници. Покрај тоа, употребата на MgB2 во експлозиви засилени со експлозија  и погони е предложена од истите причини. Неодамна можело да се покаже дека мамските ракети што содржат магнезиум диборид/ тефлон / витон прикажуваат 30–60% зголемена спектрална ефикасност, E λ (Jg −1 sr−1 ), во споредба со класичните носивост со магнезиум/тефлон/витон (MTV).  Истражувана е и примена на магнезиум диборид на хибриден ракетен погон, мешајќи го соединението во зрната гориво од парафински восок за да се подобрат механичките својства и одликите на согорувањето.

 Наводи 

 Надворешни врски 

Essential Science Indicators on MgB2 (1992 – May 2002)
Old material makes a new debut , US Department of Energy Research News, 2001

Категорија:Соединенија на магнезиумот
Категорија:Бориди
Категорија:Суперпроводници
Категорија:Керамички материјали