ПУЧКОВЫЙ ПРОВОДНИК ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ
BEAM CURRENT CONDUCTOR AND METHOD OF ITS PRODUCTION

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к проводникам электрического тока (ПЭТ), имеющим предельные физические свойства и характеристики, включая высокую и сверхвысокую прочность и долговечность, низкие и сверхнизкие значения электрического сопротивления в широком интервале рабочих температур.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
-8
-6
Известны классические ПЭТ из алюминия, меди, железа, золота, серебра, платины и т.д. Проводники из них работают в обычных высокотемпературных условиях (273 К и выше). Существенным их недостатком является высокая величина электрического сопротивления (ЭС), составляющая 1.55⋅10 до 1.12⋅10 Ом⋅м (при 293 К). Это ведет к большим потерям энергии при их использовании в цепях.
с.
с
Начиная с 1911 года, когда голландский физик X. Камерлинг-Оннес при сверхнизких температурах обнаружил эффект сверхпроводимости ртути и до настоящего времени, это явление неоднократно фиксировалось экспериментально и обосновывалось теоретически и причем преимущественно для материалов, охлажденных до сверхнизких температур от 0 до 77 К. Эффект состоит в том, что при низких температурах проводник электрического тока (ЭТ) теряет ЭС. Так, в ртути сверхпроводящее состояние возникает при температуре 4,1 К (-268,9°С). Температура, при которой проводник ЭТ переходит в сверхпроводящее состояние, называется критической, ТВ свинце Т=7,2 К (-265,8°С), в алюминии 1,175 К (-271,825°С), в олове 3,7 К (-269, 3°С), и т.д. Электрический ток в сверхпроводниках течет без потерь энергии на его нагревание.
Использование явления сверхпроводимости сулит огромные экономические выгоды и в связи с этим привлекает к себе и пристальное внимание.
В патентной литературе известны так называемые объемные сверхпроводники. С точки зрения теории сверхпроводимости Бардина-Купера-Шриффера (БКШ) [1] причиной сверхпроводимости в объемных сверхпроводниках является образование куперовских пар электронов. Куперовские пары электронов образуются при возникновении притягивательного взаимодействия между ними. В объемных (массивных) металлических сверхпроводниках, описываемых теорией БКШ, такое взаимодействие между двумя электронами обеспечивается электрон-фононным взаимодействием. Отталкивательное кулоновское взаимодействие между этими электронами очень мало вследствие его экранировки. Подробные вычисления, проведенные Элиашбергом [2], показали, что кулоновским отталкивательным взаимодействием между электронами в данном случае действительно можно пренебречь по сравнению с электрон-фононным взаимодействием. Слабость электрон-фононного взаимодействия определяет низкие критические температуры (от доли градуса К до 20 К) всех без исключения металлических сверхпроводников.
Таким образом, низкая температура этих явлений в объемных сверхпроводниках не позволяет их использовать в обычных температурных условиях, например, при 293 К и выше.
Основные усилия физиков по достижению сверхпроводимости были связаны с модификацией структуры проводящих материалов путем изменения их температуры. Не найдя таким путем это явление для целого ряда классических проводников, например, из меди, серебра, золота, платины и др., их усилия были направлены на модифицирование химической структуры и создание новых материалов, дающих эффект снижения ЭС до нуля.
2-x
x
4
2
3
7-δ
с
2
2
2
8
с
2
2
2
3
10
с
2
2
3
8-δ
с
с
Так, к примеру, в 1986 году Беднорз и Мюллер создали купраты: керамический сверхпроводниковый материал LaBaCuO с критической температурой 30 К (-243°С), получив за это Нобелевскую премию[3]. И уже в 1987 г. были синтезированы керамические сверхпроводники YBaCuO с Т=92 К и в 1988 г.открыты BiSrCaCuO с Т=100 К и TlSrCaCuO с Т=120 К. В 1993 году был синтезирован сверхпроводник HgBaCaCuO, у которого под давлением критическая Т достигает 164 К. Недостатком этих сверхпроводников является то, что у них низкая температура Т перехода в состояние сверхпроводимости и они не обладают металлическими свойствами и поскольку они керамические, то они хрупкие.
Поиск других высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) не прекращается, примером может служить синтез сверхпроводников, содержащих FeAs (железные пниктиды) с критической температурой порядка 50 К [4].
Открытие Беднорзом и Мюллером сверхпроводников с температурой перехода в сверхпроводящее состояние порядка 100 К и выше выявило со всей очевидностью несостоятельность теории БКШ при попытке объяснить столь высокие критические температуры.
Появление сверхпроводящих купратов поставило под сомнение фундамент теории БКШ: определяющее значение электрон-фононного взаимодействия, ответственного за образование куперовских пар. Многочисленные попытки заменить фононы - переносчик притягивательного взаимодействия между электронами в БКШ - на другие квазичастицы не увенчались успехом. Теории высокотемпературной сверхпроводимости до сих пор так и нет [5].
Однако, как бы там не было, сверхпроводящее состояние исследователи искали путем снижения температуры образца, т.е. путем модификации структуры и свойств материала температурным воздействием.
Исследователям 20-го века так и не удалось достичь заветной мечты - сверхпроводящего состояния при температурах выше 293 К, т.е. в комнатно-температурных условиях или добиться стабильного воспроизведения эффекта сверхпроводимости.
Используемый в патентной литературе термин «сверхпроводник» относится к проводнику с практически нулевым значением ЭС, когда проводимость, т.е. величина обратная ЭС имеет бесконечно большое значение.
Используемый в данном случае термин «сверхнизкое сопротивление» условно отнесен для достаточно близких к нулю значений сопротивлений, по крайней мере, имеющих ЭС на несколько десятичных порядков ниже классических проводников.
Сверхнизкие значения ЭС наряду с нулевым значением с не меньшим успехом могут быть использованы в современной технике, промышленности и электронике.
Проводники с низким значением ЭС, к примеру, на порядок, или половину порядка, или даже еще меньше, обычного значения ЭС, могут быть также с успехом использованы, к примеру, в электротехнике и микроэлектронике для снижения потерь и увеличения выходной мощности различных конструкций или устройств.
Низкими и сверхнизкими значениями ЭС могут обладать проводники из чистых, особо чистых и сверхчистых материалов. Однако снижение содержания примесей даже на один порядок приводит к очень резкому возрастанию, в геометрической прогрессии, стоимости проводника. Посему создание дешевых по стоимости проводников с низкими и сверхнизкими значениями ЭС имеет не менее важное и актуальное прикладное значение, чем сверхпроводники.
1-X
В патентной литературе известны сверхпроводящие материалы из пленок на основе CuO, обогащенные медью, скачкообразное аномальное падение электрического сопротивления которых до нуля (или сверхпроводимость) наблюдалось в области температур 180-220 К [6, 7].
Недостатком этих проводников является нестабильность ЭС во времени, невоспроизводимость от образца к образцу, а также исчезновение эффекта после нескольких температурных циклов измерения в исследуемом интервале температур (т.н. «невоспроизводимая сверхпроводимость», «блуждающая сверхпроводимость»). Известны проводники-лицендраты, представляющие собой скрученные изолированные и собранные в пучок N проводников, которые спаиваются в параллельную цепь двумя противоположными токовыми электродами [8].
Лицендраты имеют сравнительно низкое сопротивление и используются для борьбы с токами Фуко. Однако они, несмотря на большое число N элементов-жил в своем составе и параллельную токовую цепь, не достигают значений сопротивления близких к нулю.
2
1-X
X
Известен многослойный ПЭТ [9], образованный на подложке, содержащей совокупность слоев, образующую накопитель зарядов, образующих сверхпроводниковую зону с CuO и с несколькими наложенными друг на друга мономолекулярными пленочными слоями из материалов, выбранного из группы, в состав которой входят висмут Bi, ртуть Hg, таллий Tl и медь Cu, причем упомянутый накопитель зарядов и сверхпроводящая зона примыкают друг другу в плотном пакете слоев, отличающийся тем, что число слоев представляют целое число не меньше 4, а прокладочные слои материала имеют химическую формулу CaM и т.д.
Недостатком этого ПЭТ является сложность строения и изготовления, сравнительно низкое значение критической температуры, составляющую по утверждению авторов 250 К. Если даже это так, то для того, чтобы такой проводник приобрел свойство сверхпроводимости, необходимо его охладить до 250 К (до минус 23 град. С), что требует больших эксплуатационных расходов, сопряжено с техническими трудностями и сужает область применения такого материала. Кроме того, такой материал, имея сложную структуру требует для своего изготовления высокотехнологичное дорогое оборудование, не получившее распространения в промышленности, вследствие чего существенно возрастает стоимость такого материала с одновременным снижением его технологичности.
В патентной литературе известен целый ряд сверхпроводниковых материалов ЭТ и их способы изготовления [10]. Сущность их заключается в том, что в несверхпроводящих проводниках (материалах) ЭТ тем или иным способом создаются или образуются «блуждающие» высокотемпературные сверхпроводящие зоны (или кластеры), в дальнейшем СПЗ.
По содержанию СПЗ представляют, как правило, окиси или закиси тех или иных химических элементов, из которого выполнен материал проводника. В частности, в купратах обнаружены локальные участки со СПЗ, которые расположены в них хаотически и статистически случайно. Закономерность их поведения и линейные размеры не ясны. Результатом такого статистически случайного расположения СПЗ и явилось проявление «блуждающего» или «невоспроизводимого» эффекта сверхпроводимости.
Недостатком этих сверхпроводников ЭТ, до настоящего времени, является невозможность их использования на практике из-за их свойства «блуждания» или свойства «невоспроизводимости» при повторных измерениях.
В патентной литературе активно обсуждается сверхпроводимость в наноструктурах - нанокластерах, в интерфейсах между парами различных материалов, в квантовых проволоках, например, в [11-13]. Согласно микроскопической теории сверхпроводимости БКШ причиной появления сверхпроводимости является образование куперовских пар электронов, размер которых соответствует длине когерентности.
Однако, факт существования сверхпроводимости в системах с размерами, меньшими длины когерентности, говорит о том, что минимальный размер сверхпроводника не связан с длиной когерентности.
Основным недостатком этих проводников является то, что несмотря на их сверхпроводящие свойства, они не могут быть использованы в обычных температурных условиях, т.е. не являются комнатно-температурными сверхпроводниками (КТСП).
i
В патентной литературе известен прототип, являющийся наиболее близким к предлагаемому изобретению [14]. В нем предложен способ изготовления проводника электрического тока (ЭТ), являющегося в сущности КТСП, в котором производят М серий измерений электрического сопротивления токопроводящих элементов, М - натуральное число, причем в каждой i-й серии (i=1…M) токопроводящие элементы являются однотипными, и их число равно N, по результатам измерений отбирают j-ю выборку из Nj однотипных элементов, в которой зафиксировано наименьшее значение сопротивления среди всех испытанных элементов, далее R≥Nj токопроводящих элементов, каждый из которых имеет длину L≤lj, где lj - длина элементов в j-й выборке, соединяют параллельно.
j
j
Согласно другого варианта предложенный в этом же изобретении проводник ЭТ, содержит R однотипных токопроводящих элементов длиной L, соединенных параллельно, причем R≥Nj, где Nj - число элементов в j-й выборке, отобранной по результатам проведения М серий измерений электрического сопротивления токопроводящих элементов, где М - натуральное число, причем в каждой i-й серии (i=1…M) токопроводящие элементы являются однотипными, указанная j-я серия выбрана по наличию в ней токопроводящего элемента с наименьшим электрическим сопротивлением, и при этом L≤l, где l - длина элементов в j-й выборке.
Основным недостатком этого проводника ЭТ, равно как и способа его изготовления, является тот факт, что он имеет ограниченные размеры, в частности, длина рабочей части проводника (проволоки), являющаяся сверхпроводниковой, составляет 3000 мкм. На практике ограничена область применения такого проводника электрического тока. Чтобы их использовать надо их сделать, к примеру, длинномерными, но для этого в этом же изобретении предлагаются дополнительные технологические и конструкторские приемы, ведущие к усложнению как устройства проводника, так и способов их изготовления.
В целом, на практике нужен проводник электрического тока с контролируемым значением сопротивления, который отвечал бы следующим свойствам и требованиям:
1. Имеет низкое, сверхнизкое, но предпочтительно нулевое сопротивление как при низких температурах, так и при температурах Т≥293 К;
2. Имеет металлические свойства;
3. Имеет достаточную протяженность, долговечность и прочность;
4. Предпочтительно имел бы предельные структурно-чувствительные физические свойства (СЧФС) и характеристики СЧФХ, включая долговечность, прочность. При этом, даже, если проводник ЭС не будет иметь металлических свойств, он должен быть технологичным, легко и хорошо перерабатываем в различные конфигурации.
СЧФС и СЧФХ - структурно-чувствительные физические свойства и характеристики - это свойства и характеристики чувствительные и зависимые от структуры и изменений в структуре тела. Например, механическая прочность на разрыв σ - это свойство тела, а характеристикой прочности является ее долговечность под нагрузкой τ. Или, к примеру, электрическая прочность - это свойство тела, а его долговечность - это характеристика прочности. К структурно-чувствительным относятся: электрическое сопротивление и емкость, индуктивность, механические и диэлектрические потери, теплофизические характеристики тел, деформационные характеристики, коэффициенты газопроницаемости и т.д.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Изобретение направлено на создание проводников ЭТ, обладающих низким, сверхнизким, нулевым или с любым контролируемым значением электрического сопротивления в широком температурном интервале: от сверхнизких криотемператур до Т≥293 К, которые характеризовались бы более высокой технологичностью по сравнению с решениями, известными из уровня техники. При этом, какие бы не использовали на практике физические свойства проводников, включая сверхпроводящие, он должен обладать достаточной долговечностью и прочностью, но предпочтительно, проводник должен обладать предельными (высокими и сверхвысокими) физическими свойствами и характеристиками.
В предлагаемом изобретении для осуществления заявленного технического результата, в отличие от уровня техники, используются физические способы модификации свойств тел без химической перестройки структуры. Для осуществления заявленного изобретения используются обычные классические проводники на основе металлов, как например, медь, алюминий или серебро, а также возможно применение других несверхпроводящих материалов, металлов, полимеров, композитов, диэлектриков, оксидов, пьезоэлектриков, сегнетоэлектриков, включая полупроводники с n и p проводимостью, гетеропереходы. В связи с этим авторами предлагается:
Пучковый проводник электрического тока, содержащий N≥1 (где N - целое число) индивидуальных однотипных отдельных, не связанных между собой тонких составляющих элементов, объединенных в стопу или пучок, причем, каждый из однотипных элементов имеет одинаковое функциональное назначение и заключен между противоположными контактами из числа K≥2, а число N рассчитывается по формуле
р,м
р
р
р
р,м
где F - внешнее воздействие на образец, σ есть значение σ структурно-чувствительной физической характеристики или свойства, реагирующей на внешнее воздействие F, которое определяет нижнюю границу значений σ, с которой образцы отбираются в пучковый проводник s - площадь поперечного сечения одного составляющего элемента пучка, р - вероятность попадания элемента с уровнем структурно-чувствительной характеристики σ>σ, в многоэлементный образец-пучок, определяемая из кривых распределений структурно-чувствительной характеристики или свойства.
Между составляющими элементами стопы или пучка располагаются отделители.
Отделитель выполняется из числа N≥1 отдельных однотипных тонких или сверхтонких составляющих элементов-пленок.
Число N рассчитывается по формуле
0
N≥ln(1-P)/ln(1-P)
0
где Р есть экспериментально установленная доля образцов с эффектом CMC в их выборке из числа составляющих элементов, подготовленных к компоновке (изготовлению) многоэлементного пучка; Р - есть доверительная вероятность, с которой в многоэлементном пучке должен быть хотя бы один элемент, не содержащий дефект, разрушающий CMC.
Число N рассчитывается по формуле
0
э
N≥σ/Р⋅σ,
0
0
э
где Р - экспериментально установленная доля проводника со значением СЧФС и СЧФХ σ≤σ, σ - нижняя граница СЧФС или СЧФХ, σ - требуемое или заданное значение СЧФС или СЧФХ пучка.
Пучок составлен из сверхтонких пленок, волокон или проволок толщиной d≤100 нм.
Однотипные отдельные составляющие элементы по функциональному назначению представляют диэлектрик, проводник, полупроводник, пьезоэлектрик, сегнетоэлектрик, pn переход, гетеропереход или переход Шоттки.
Способ изготовления пучкового проводника заключается в том, что проводник выполняются из числа N≥1 (где N - целое число) тонких однотипных отдельных, не связанных между собой индивидуальных составляющих элементов, объединенных в пучок или стопу, причем, каждый из составляющих элементов имеет одинаковое функциональное назначение и заключается между противоположными контактами из числа K≥2, а число N рассчитывается по формуле из п. 1.
Пучок составляется из сверхтонких пленок, волокон или проволок, или переходов толщиной d≤100 нм.
Составляющие элементы пучка выполняют из диэлектрика, проводника, полупроводника, пьезоэлектрика, сегнетоэлектрика, pn
перехода или гетероперехода, или перехода Шоттки.
i
j
j
Еще одним вариантом способа изготовления пучкового проводника, является способ, в котором производят М серий измерений электрического сопротивления R, М - натуральное число, причем, в каждой i-й серии (i=1…M) составляющие элементы являются отдельными однотипными, и их число равно N, по результатам измерений отбирают j-ю выборку из Nj однотипных элементов, в которой зафиксировано наибольшее значение физической характеристики или свойства среди всех испытанных элементов, далее R≥Nj составляющих элементов, отличающихся тем, что каждый из них имеет толщину D≤d, где d - толщина элементов в j-й выборке, соединяют параллельно.
Физическими характеристиками или свойствами для измерений выбирается долговечность или прочность материала (механическая и электрическая), емкость (электрическая и тепловая), индуктивность, проводимость, добротность.
i
min
j
j
Еще одним вариантом способа изготовления пучкового проводника, является процесс, в котором производят М серий измерений электрического сопротивления R, М - натуральное число, причем, в каждой i-й серии (i=1…M) составляющие элементы пучка являются отдельными однотипными, а их число равно N, по результатам измерений отбирают j-ю выборку из Nj однотипных элементов, в которой зафиксировано наименьшее значение электрического сопрогтивления R среди всех испытанных элементов, далее R≥Nj составляющих элементов пучка, отличающуюся тем, что каждый из них имеет толщину D≤d, где d - толщина элементов в j-й выборке, соединяют параллельно.
Толщину d, составляющего элемента пучка определяют по размеру наименьшего дефекта в его структуре.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Далее более подробно заявленная группа изобретений раскрыта на прилагаемых чертежах и таблицах, на которых:
Таблица 1. Характеристики экспериментального разброса данных измерений сопротивления электрическому току для образцов из медной проволоки толщиной 120 мкм различной длины.
i
Таблица 2. Распределение значений электрического сопротивления R и индуктивности L для медной проволоки толщиной 120 мкм и длиной 3 мм по номерам последовательности n.
Фиг. 1. Пример реализации концепции пучковой технологии при изменении числа элементов в пучке.
a) На фигуре представлены интегральные кривые распределения электрического сопротивления R медных одноэлементных и многоэлементных проводников с толщиной составляющих элементов d=120 мкм.
b) На фигуре представлены интегральные кривые распределения электрического сопротивления R медных одноэлементных и многоэлементных проводников с толщиной составляющих элементов d=70 мкм.
Каждая кривая распределения - результат 100 измеренных значений электрического сопротивления пучков из N элементов, расположенных в порядке возрастания номера последовательности n. N - число однотипных отдельных составляющих элементов в образце-пучке. При числе составляющих элементов в образце-пучке N=100, все образцы-пучки имеют нулевое значение сопротивления R.
2
c) Зависимость внутреннего последовательного сопротивления Rs однопереходной токовой цепи ФЭП (N=1, кривая 1) и пучковой многопереходной токовой цепи ФЭП (N=10000/cm) от падающей мощности Pinp галогеновой лампы-фары Osram (кривая 2).
0
3
Фиг 2. Пример реализации принципа температурно-временной, масштабной и частотной эквивалентности ТВЭ; интегральные кривые распределения электрического сопротивления R по номерам последовательности n (влияние масштабного фактора (рабочей длины образцов) на величину электрического сопротивления R медных проводников толщиной 120 мкм. Цифры напротив кривых 3, 30, 110, 200 - рабочая длина проводников, обозначенных в миллиметрах. R - R - дискретные уровни электрического сопротивления.
i
Фиг. 3. Пример реализации принципа температурно-временной, масштабной и частотной эквивалентности ТВЭ. Интегральные кривые статистического распределения электрического сопротивления R пучков из N составляющих элементов (Влияние комбинированных факторов (числа составляющих элементов N пучка и частоты тока f) на электрическое сопротивление R). Каждая испытанная серия (кривая) представляет выборку из не менее 100 образцов-пучков из проволок рабочей длиной l=3000 мкм и толщиной d=120 мкм. N - число составляющих элементов в пучке; n - номер последовательности образца.
Фиг. 4. Пример низкомодового состояния. Функция распределения плотности вероятности [интегоальная кривая (а) и дифференциальная кривая распределения (б)] долговечности массивных пленок (толщиной d=100 мкм) ПММА марки СО-95 при 293 К и различных растягивающих напряжениях (в МПа): 1-90 МПа; 2 - 75; 3 - 60; 4 - 40; 5 - 35, число членов выборки n=100.
Фиг. 5. Примеры высокомодовго состояния.
Уровни физических свойств.
0
0
0
0
0
А. Функция распределения плотности вероятности логарифма долговечности некоторых одноэлементных (одиночных N=1) пленок при Т=293 К (дифференциальные кривые распределения долговечности): 1 - ПЭТФ + железо (магнитная лента), d=46 мкм, σ=340 МПа; 2 - алюминиевая фольга, d=34 мкм, σ=11 МПа; 3 - пленка ПМ-4, d=18 мкм; σ=110 МПа; 4 - пленка ПМ-1, d=42 мкм; 5 - шелковое волокно (пучок из трех волокон), d=54 мкм. Во всех измерениях число членов выборки n=100.
0
1
7
B. Дифференциальная (снизу) и интегральная (сверху) кривая распределения прочности пленок ПЭТФ при 293 К для серии (объема выборки) из 700 образцов; d=22 мкм; σ-σ - дискретные уровни прочности.
0
C. Функция распределения плотности вероятности механической прочности (а), деформации разрыва (b) и электрической прочности (с) тонкой одиночной (N=1) пленки ПЭТФ при 293 К; число образцов в выборке n=100; d=18 мкм.
Фиг. 6. Пример сверхмодового состояния. Функция распределения плотности вероятности прочности волокон НШ: А- пучок из N волокон натурального шелка НШ, N=50, d=18 мкм, L=10 мм; В - сверхтонкое одиночное (одноэлементное) волокно натурального шелка НШ, d=18 мкм, L=1 нм. Число образцов в выборке - 100. Предельная, наиболее вероятное и среднее значение прочности волокон НШ совпадают . Предельная прочность волокна НШ, рассчитанная по данным механики разрушения и теории трещин равна 3590 МПа.
0
1
2
3
4
5
0
1
2
3
4
5
Фиг. 7. Пример экспериментального разброса сопротивления электрическому току образцов медного проводника толщиной 50 мкм; данные измерений из серии (объема выборки) электрического сопротивления 500 образцов медной проволоки, расположенных в последовательный ряд в порядке возрастания номера n (интегральная функция распределения сопротивления). Обозначения: R, R, R, R, R, R - дискретные уровни электрического сопротивления или уровни диссипации энергии (Е, E, Е, Е, Е, Е); n - порядковый номер образца; 1 - экспериментальный разброс (распределение) однотипных отдельных одноэлементных образцов из медной проволоки длиной 3 мм; 2 - многоэлементные пучковые образцы медной проволоки (в пучке N=100 образцов-элементов).
1
2
7
Фиг. 8. Интегральные кривые распределения тангенса угла диэлектрических потерь tgδ полиимидной пленки толщиной 35 мкм; tgδ, tgδ, …, tgδ - дискретные уровни тангенса угла диэлектрических потерь (уровни диссипации). 1 - одноэлэментная кривая распределения, число пленок в пучке (стопе) N=1; 2 - многоэлементная кривая распределения, число пленок в пучке (стопе) N>>10. n - порядковый номер образца.
Фиг. 9. Примеры экспериментального разброса СЧФС и СЧФХ.
а. Диаграмма распределения (разброса) электрической прочности стопы (пучка) тонких (А) пленок полиэтилентерефталата (ПЭТФ) толщиной d=12,5 мкм) и массивных (В) пленок ПЭТФ толщиной d=200 мкм пленок; N - число пленок-слоев в образце.
b. Кривые распределения (разброса) прочности ПЭТФ: 1 - массивные пленки ПЭТФ толщиной 150 мкм; 2 - тонкие пленки толщиной 18 мкм; 3 - стопа (N>>1) из тонких пленок толщиной 18 мкм. Температура опыта 293 К.
Фиг. 10. Диаграмма распределения отдельных измерений долговечности при 293 К пленок ПЭТФ толщиной 16 мкм, при различных растягивающих напряжениях: 1 - 352 МПа; 2 - 386 МПа; 3 - 405 МПа; 4 - 415 МПа; 5 - 436 МПа; 6 - 456 МПа
m
Фиг. 11. Полная изотерма долговечности пленки ПММА при Т=293 К (кривая 1), время гарантированной работоспособности одноэлементной (кривая 3) и многоэлементной (кривая 2) пленки ПММА. Вероятность P=0,99.
n
P
Фиг. 12. Экспериментальная электрическая цепь по измерению ПЭТ с предельными СЧФС; R - сопротивление нагрузки (нормальный несверхпроводящий резистор), S - КТСП образец, А - амперметр, В - источник постоянного тока, R - реостат на 20 А, В - источник постоянного тока.
Фиг. 13. Фото 3D принтера и распечатки на нем гибких медных пучковых токопроводящих цепей с различным числом составляющих элементов пучка N.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Сущность заявленного изобретения, решение задач и достижение результатов по получению ПЭТ с низким, сверхнизким и нулевым значением электрического сопротивления, в широком температурном интервале, начиная от криотемператур до областей выше 293 К, а также с другими предельными СЧФС и характеристиками СЧФХ, в частности, с высокой и сверхвысокой долговечностью и прочностью, основан прежде всего на применении принципа температурно-временной, силовой и масштабно-частотной эквивалентности (ТВЭ) [15]. Кроме того, авторами использованы теоретические представления о локальной и распределенной сверхпроводимости [16], явления универсальности дискретности физических свойств и характеристик твердых тел, а также закономерности одноэлементного и многоэлементного масштабного факторов (эффект пучка), в сочетании с экспериментальными статистическими методами, разработанные авторами изобретения [16-17].
Обсудим кратко эти представления и подходы, использованные в настоящем изобретении для получения заявленных результатов.
Как отмечено выше, основные усилия исследователей на протяжении 20-го столетия по достижению сверхпроводимости были связаны с физической модификацией структуры проводников путем изменения их температуры. Не найдя таким путем это явление для ряда проводников ЭТ, например, из меди, серебра, золота, платины и др., их усилия были направлены на модифицирование химической структуры и синтез новых материалов, дающих эффект снижения электрического сопротивления до нуля.
C
Однако, эти усилия исследователей, занявшихся модификацией химической структуры материала проводников так и не привели к созданию проводников ЭТ с нулевым значением сопротивления при комнатных температурах, или выше (Т≥293К). В любом случае синтезированные, так называемые ВТСП, надо было охлаждать до криогенных температур. Да и ряд физических свойств необходимо было далее модифицировать. Эти ВТСП, являясь керамическими обладают хрупкостью, что нежелательно как для их эксплуатации, так и переработки в различные устройства. Максимально исследователи смогли подняться до критической температуры, составившей T=-108°С.
В настоящем изобретении авторами предлагается пучковая технология материалов проводников, представляющая из себя физическую модификацию свойств и характеристик проводников ЭТ с контролируемым значением ЭС и других СЧФС и характеристик СЧФХ без химической перестройки структуры тел. При этом не требуется охлаждение проводника, а сами пучковые проводники с низким, сверхнизким сопротивлением можно сделать из несверхроводящего металла, полупроводника, пьезоэлектрика и т.д. Пучковая технология позволяет получить токопроводящие материалы с заданными (низкими, высокими, сверхвысокими значениями СЧФС и СЧФХ тел, включая ЭС ПЭТ.
Суть пучковой технологии проводящих материалов и устройств заключается в том, что токопроводящий материал или устройство выполняются из числа N→∞ однотипных отдельных, не связанных между собой индивидуальных составляющих элементов из несверхпроводящих материалов (волокон, проволок, пленок, фольги, pn переходов и т.п.) размер (толщина) которых стремится к бесконечно малой величине Δ, объединенных в пучок или стопу, причем, каждый из составляющих элементов имеет одинаковое функциональное назначение и заключен между противоположными контактами из числа K≥2.
На фиг. 1(а, b) приведены примеры реализации концепции пучковой технологии на медных проводниках электрического тока при изменении числа составляющих элементов пучка N, где N - целое число однотипных отдельных составляющих элементов в образце-пучке. На фигуре 1b представлены кривые распределения электрического сопротивления R медных одноэлементных и многоэлементных проводников с толщиной составляющих элементов d=70 мкм. Каждая кривая распределения - результат 100 измеренных значений электрического сопротивления пучков с различным числом N, расположенных в порядке возрастания номера последовательности n. При числе составляющих элементов в образце-пучке N=100, все образцы-пучки имеют нулевое значение сопротивления R.
2
На фиг. 1с для иллюстрации приведены зависимости внутреннего последовательного сопротивления Rs однопереходной токовой цепи ФЭП (N=1, кривая 1) и пучковой многопереходной токовой цепи ФЭП (N=10000/cm) от падающей мощности Pinp галогеновой лампы-фары Osram (кривая 2).
В основе создания пучковой технологии материалов и устройств со сверхвысокими физическими свойствами и характеристиками лежат простые, но фундаментальные природные закономерности, свойства и явления.
Это прежде всего принцип ТВЭ, феномен универсальности дискретности физических свойств и характеристик, явления, связанные со снижением масштаба образцов в одиночных (одноэлементных) структурах и увеличением масштаба в многоэлементных структурах, т.е. в пучке за счет увеличения числа N тонких отдельных однотипных составляющих моноэлементов.
Принцип ТВЭ заключается в том, что действие на образец температуры, масштаба, силовой (энергетической) нагрузки или частоты (или одно и то же - времени их воздействия) приводят к эквивалентным изменениям СЧФС или характеристик СЧФХ образцов, включая обратную величину электрического сопротивления, т.е. проводимость тока.
Поэтому нулевое, сверхнизкое или низкое сопротивление, которое тщетно искали физики 20-го столетия, можно получить воздействием (изменением) не только температуры, но, например, изменением масштаба образца, величины токовой нагрузки или частоты воздействующего тока (при неизменности какого-либо параметра, например, температуры, т.е. при Т=const) на проводник. Либо можно комбинировать воздействием этих факторов.
c
с
Для исследователя с точки зрения принципа ТВЭ безразлично какой из этих воздействующих факторов использовать для получения эквивалентных результатов, например, нулевого электрического сопротивления. Нулевое или любое другое значение можно получить, например, изменяя частоту или силу воздействующего тока на токопроводящий образец, или можно снизить масштаб образца до критического размера d, или снизить температуру до критического значения Т, как это делал Камерлинг-Оннес и его последователи, либо необходимо объединить тонкие токопроводящие цепи в пучок из числа N однотипных отдельных составляющих элементов. Использование любого фактора приводит к идентичному эквивалентному результату. Например, нулевое электрическое сопротивление образца можно получить, увеличивая частоту воздействия (измерения) на образец, силу тока, протекающего через образец. Однако, используемая на практике промышленная частота тока составляет всего лишь 50-60 Гц. Переход на высокие частоты и силы тока нецелесообразно как экономически, так и с точки зрения вредного влияния на организм живых существ. На фиг. 2-3 показана реализация принципа ТВЭ на примере воздействия влияния масштаба (рабочей длины проводника  и комбинированных факторов (числа составляющих N элементов пучка и частоты тока f) на электрическое сопротивление проводника в виде волокон (проволок) толщиной d=120 мкм и рабочей длиной 1=3 мм.
Выбор (использование) явления масштабного фактора, особенно, эффекта пучка, для получения проводника ЭТ с нулевым или любым заданным значением ЭС, СЧФС или СЧФХ технически и экономически более предпочтителен и к тому же безопасен с точки зрения санитарной экологии и токсикологии. Он существенно дешевле криотемпературных технологий и технологий, связанных с перестройкой химической структуры тел, или технологий, связанных с изменением частоты и силы воздействующего тока.
В настоящем изобретении для достижения заявленных результатов применен принцип ТВЭ, а также феномены универсальности дискретности физических свойств и характеристик, а также закономерности изменения одноэлементного и многоэлементного масштабного фактора или эффекта пучка.
Сверхпроводимость в проводниках ЭТ - это явление, обусловленное бездиссипативным движением заряженных частиц, и оно в настоящее время никем не оспаривается.
В системе многих частиц бездиссипативное движение электронов может возникать только в случае, если состояние электронов является квантовым, иными словами, они находятся в связанном состоянии в некотором потенциале. Потенциал может быть атомным, т.е. локализованным атомным масштабом, или быть распределенным.
В первом случае мы имеем дело с обычным атомом, в стационарном состоянии которого нет процессов излучения или поглощения. Этот случай называется локальной сверхпроводимостью.
Второй случай соответствует распределенной сверхпроводимости. Именно с ней связывается сверхпроводимость в объемных, макроскопических системах.
Наблюдение сверхпроводимости в наноструктурах, квантовых ямах (нанопленках), интерфейсах между парами различных материалов, квантовых волокнах (проволоках), с характерными размерами, меньшими длины когерентности, а также неудачные попытки построения микроскопической теории сверхпроводимости в купратах, основанные, в общем, на традиционном подходе - поиске условий возникновения связанного состояния пары электронов - куперовской пары, позволяют сделать вывод, что объяснение сверхпроводящего состояния в этих структурах нужно искать, привлекая совершенно другие идеи, что требует других решений и подходов.
Однако, сверхпроводимость в наноструктурах свидетельствует о важной роли микроскопического механизма этого явления, а именно, о роли кулоновского взаимодействия.
В этих наноструктурах кулоновское взаимодействие перестает быть практически полностью экранированным, как в массивных образцах (т.е. объемных системах), и эффективное притяжение между электронами определяется именно кулоновским взаимодействием.
Кроме того, размерное квантование в наноструктурах происходит в потенциале, имеющем в основном кулоновскую природу. Эффективное кулоновское притяжение между электронами в наносистемах определяет величину сверхпроводящей щели.
с
с
с
Для наносистем кулоновское притяжение превалирует над электрон-фононным, и часто им можно пренебречь. Масштабный фактор V, т.е. размер, в частности, толщина пленки или диаметр волокна (проволоки), влияет на критическую температуру: она увеличивается при уменьшении этого фактора. Следовательно, критическая температура является функцией масштабного фактора: Т=Т(V), чего нет при рассмотрении объемных (массивных) систем. Расчеты, проведенные Югаем К.Н. методом температурных функций Грина, и которые учитывают влияние масштабного фактора, дают для Т значения 300 К и выше [13]. С методологической точки зрения это замечание имеет существенное значение для создания комнатно-температурных сверхпроводников.
Но при любых подходах к описанию сверхпроводимости в проводниках, одно обстоятельство не подвергается сомнению и является очевидным: сверхпроводимость - это состояние бездиссипативного движения электронов, в котором при отсутствии внешнего воздействия система может находиться бесконечно долго. Такое движение не может быть классическим. Бездиссипативное движение возникает при квантовом характере движения с определенной энергией, т.е. в связанном стационарном состоянии.
Это состояние является одновременно динамическим, поскольку происходит перенос заряда, спина и т.д. Оно является также неравновесным состоянием. Такие состояния встречаются в физике довольно часто. Это, например, стационарный пучок частиц в ускорителе, стационарный ток заряда в проводнике и т.д. Характерной особенностью стационарных динамических состояний (СДС) является отсутствие в них диссипации [18].
Масштабный (размерный) фактор V, геометрический размер тела (толщина, ширина, длина, т.е. его объем), влияют, прежде всего, на наличие в них больших и малых по размеру дефектов в их структуре. В зависимости от масштаба образца в них могут находиться (расселиться) дефекты того или иного размера, той или иной степени опасности. Дефекты, как правило, имеют произвольную форму, конфигурацию и размеры, которые расположены на крае, поверхности и в объеме образца, распределенные статистически случайно и хаотично. Под дефектами в уровне техники [15] понимаются всякого рода примеси, разрывы сплошности с разрывами химических и межмолекулярных связей, или неоднородности структуры и их границы, или любые дислокации, вакансии и несовершенства структуры, связанные, к примеру, с искажением кристаллической решетки материала и т.д.
При увеличении масштаба образца V происходит перераспределение образцов, содержащих дефекты, в ансамбле однотипных изделий (образцов) с высоких на низкие уровни; а при уменьшении - имеет место обратный процесс перераспределения образцов - с низких на высокие уровни свойств. В результате такого перераспределения происходит снижение (или увеличение) величины разброса и среднего значения СЧФС и характеристик СЧФХ, включая электрическое сопротивление проводника. Указанное перераспределение составляет суть явления масштабного фактора.
Наши многолетние систематические теоретические и экспериментальные исследования статистических свойств материалов свидетельствуют, что по масштабному фактору твердые тела, включая ПЭТ, условно находятся в трех физических состояниях:
a) Низкомодовое состояние (НМС)
- массивные тела (объемные тела, пленки и волокна толщиной d>50-60 мкм) - это состояние с низкими значениями физических характеристик и свойств тела; образцы имеют низкие значения с дефектами размером от 1000 нм до 10000 нм и выше (макродефекты или макротрещины); функция распределения плотности вероятностей физической характеристики имеет унимодальный (нормальный Гауссовый) вид с одним максимумом (фиг. 4);
b) Высокомодовое состояние (ВМС)
- тонкие тела (волокна и пленки толщиной 0,1 мкм <d≤50-60 мкм) - это состояние с высокими средними значениями физических характеристик и свойств тела; образцы имеют высокие средние значения с размерами дефектов от 100 нм до 1000 нм (микродефекты или микротрещины); функция распределения плотности вероятностей физической характеристики имеет полимодальный вид с несколькими максимумами (см. фиг. 5);
c) Сверхмодовое состояние (CMC)
- пучки из N тонких тел (волокна и пленки толщиной 0,1 мкм <d≤50-60 мкм, собранные в пучок) с размерностью дефектов от 0,1 мкм до 1 мкм (микродефекты или микротрещины);
- сверхтонкие тела (одиночные волокна и пленки толщиной от 1 нм до 100 нм) с размерностью дефектов от 2,8 нм до 99 нм (субмикротрещины СМТ или нанотрещины НТ).
Обе модификации тел - это суть сверхмодовые состояния со сверхвысокими значениями физических характеристик и свойств вещества, достигающие в этом состоянии теоретических или предельных значений; образцы имеют сверхвысокие значения СЧФС и СЧФХ, включая электрическую проводимость; функция распределения плотности вероятностей физической характеристики или свойства в обоих случаях становятся унимодальными с узко-симметричным видом (см. фиг. 6).
Пучок с тонкими токопроводящими волокнами (пленками) при N→∞ и сверхтонкое токопроводящее волокно (или пленка) при N=1 находятся в состоянии сверхвысоких значений (свойств или характеристик), но с разными группами (типами) размерных дефектов; одиночное сверхтонкое волокно (пленка) - это фактически, тот же пучок, но возникший при вырождении (снижении) числа составляющих элементов N до 1 и толщине элементов (волокон и пленок) до d<0,1 мкм (100 нм).
Сверхмодовые состояния в телах возникает по двум физическим сценариям:
а) в результате проявления в телах одноэлементного масштабного фактора (эффекта);
б) в результате проявления в телах многоэлементного масштабного фактора (эффекта).
Суть этих явлений заключается в следующем. В явлении одноэлементного масштабного фактора, в одиночном одноэлементном образце при снижении масштаба, например, толщины волокна d (или пленки), дефекты структуры постепенно вытесняются, начиная с того момента, когда толщина d волокна (или пленки) становится равной поперечному размеру наибольшего дефекта структуры. Сам эффект вытеснения состоит в том, что соответствующие дефекты структуры не попадают во все большее число одноэлементных образцов. В результате такого вытеснения дефектов, СЧФС или характеристики СЧФХ тела необычайно (существенно) увеличиваются во все большем числе одноэлементных образцов, включая электрическую проводимость.
0
При снижении масштаба волокон и пленок из низкомодового состояния, вначале они переходят в высокомодовое состояние, но в них еще остаются дефекты размером от 100 нм до 1000 нм (микродефекты или микротрещины). Но при дальнейшем снижении толщины d волокна (или пленки), вытесняются дефекты с меньшим поперечным размером, которые равны в этот момент толщине волокна (или пленки). И при дальнейшем снижении толщины волокна или пленки до минимального поперечного размера дефекта в структуре тела, составляющем по нашим расчетам  либо снижении толщины d до размера, при котором тело может еще существовать еще как вещество, т.е. в 1 нм (равной размеру атома вещества в поперечнике), дефекты с поперечным размером l≥1 нм, если они имеются в теле, полностью вытесняются.
В любом случае, в результате вытеснения дефектов со структуры тела, когда толщина волокна или пленки будут равны или будут меньше наименьшего по размеру дефекта , они (дефекты) в силу своего масштаба не смогут разместиться на толщине волокна или пленки по всей их длине (протяженности). Волокно (или пленка) при такой толщине d становятся бездефектными и бездиссипативными по всей своей длине (протяженности).
В процессе такого вытеснения дефектов в одиночных (одноэлементных) образцах все структурно-чувствительные свойства СЧФС и характеристики СЧФХ, включая проводимость, существенно увеличиваются до предельных значений. В этом суть явления одноэлементного масштабного фактора в возникновении сверхмодового состояния. Подробно этому эффекту посвящена часть настоящего описания изобретения.
Многоэлементный масштабный фактор или эффект пучка возникает в многоэлементной структуре, т.е. пучке из N с составляющих элементов.
Эффект усиления (или эффект пучка) физических свойств возникает не при дальнейшем снижении масштаба одиночных (одноэлементных) образцов, а при увеличении масштаба многоэлементного образца-пучка за счет увеличения числа N тонких отдельных составляющих элементов. В проявлении многоэлементного масштабного фактора процесс перехода многоэлементного образца-пучка в сверхмодовое состояние обусловлен тем, что дефекты волокон (или пленок) блокируются (шунтируются) бездефектными составляющими элементами многоэлементной структуры, т.е. пучка. Поэтому объединение большого числа отдельных тонких волокон или пленок в пучок или в стопу эквивалентно химической или структурной очистке материала от дефектов, определяющих его СЧФС и СЧФХ.
В пучке реализуется не эффект вытеснения дефектов, а эффект их шунтирования. Чем больше в пучке число тонких однотипных отдельных составляющих элементов N пучка и меньше толщина d составляющего элемента пучка, тем выше вероятность блокировки (шунтирования) дефектных составляющих элементов пучка, тем выше будут СЧФС или СЧФХ и вероятность перехода в сверхмодовое состояние. Увеличение числа N составляющих элементов пучка приводит к увеличению масштаба образца-пучка и повышению значений СЧФС и СЧФХ. При достижении определенного числа N тонких однотипных отдельных составляющих элементов, пучок переходит в сверхмодовое состояние, происходит переход количества в качество: катастрофически усиливаются все СЧФС и СЧФХ. Такой переход подобен фазовому переходу. В этом суть феномена многоэлементного масштабного фактора.
Пучок согласно математической статистики является статистическим ансамблем или выборкой, состоящей из N членов, подчиняющихся математическому закону больших чисел. Для возникновения предельного эффекта усиления, согласно закону больших чисел, в таком статистическом ансамбле, выборке или пучке число однотипных отдельных составляющих элементов N должно стремиться к бесконечно большой величине (N→∞), а размер, например, толщина этих индивидуальных составляющих элементов пучка должен стремиться к бесконечно малой величине (d→Δ). На практике величина N→∞ не достижима, но приблизиться к достаточно большим значениям, для получения материалов, включая проводники ЭТ с предельными физическими свойствами, например, при заданном минимальном масштабе, например, толщины d возможно.
В любом случае, если толщина d не равно 1 нм, число N должно быть достаточно большим: N>1, или N>>1, N>>10, N>>100 и т.д. Все зависит от величины d.
Согласно настоящему изобретению бесконечно малая величина составляет в идеале Δ=1 нм. В уровне техники, в пучковых материалах или устройствах, бесконечно малая величина Δ не заявлена, по крайней мере, для использования в пучковой технологии изготовления проводниковых материалов и устройств.
В пучке из N→∞ составляющих тонких элементов пучка все СЧФС и СЧФХ имеют предельные значения, включая электрическую проводимость. Нахождение числа составляющих элементов пучка N, при котором пучок переходит в сверхмодовое состояние (а для проводников ЭТ в сверхпроводящее состояние), является важнейшей теоретической и практической задачей пучковой технологии материалов. Этому будет посвящен раздел 3.6 настоящего описания изобретения.
Таким образом, при толщине волокна (пленки) d=1 нм получаются протяженные длинномерные бездефектные бездиссипативные (по всей протяженности или длине) волокна или пленки. К таким же результатам приводят и более строгие теоретические соображения.
В работах [15, 19] показано, что закон распределения наиболее опасного дефекта структуры материала, определяющего его соответствующую структурно-чувствительную физическую характеристику (СЧФХ) или свойство (СЧФС) а, определяется выражением
i
i
i
i
i
1
2
n
Здесь p есть вероятность (доля) образцов имеющих значение СЧФС (или СЧФХ) σ, i=1,2,…n, n - число типов (групп) дефектов структуры материала; V есть объем или площадь поверхности одного составляющего элемента пучка; c есть концентрация дефектов, то есть среднее число дефектов структуры материала в единице объема материала, определяемое технологией его изготовления, с характерным размером дефекта структуры d (например, размера дефекта в поперечнике), определяющим значение СЧФХ или СЧФС σ, i=1, 2, …, n,; здесь σ<σ<…<σ.
i
i
1
2
n
i
i
i
max
Как видно из приведенной формулы, при уменьшении объема (или поверхности) материала V множитель (1-exp(-c⋅V)) стремится к нулю, а множитель  стремится к единице. Уменьшение объема материала V должно производиться с учетом геометрии дефектов структуры, то есть ее характерного размера дефекта d, которые определяют соответствующую СЧФХ или СЧФС. При этом в силу неравенства n<n<…<n в первую очередь становятся исчезающе малыми величины p с меньшими номерами, то есть соответствующие более низким значениям СЧФХ или СЧФС σ. При дальнейшем уменьшении V последними исчезнут P с номером n и в пределе мы получим протяженный (длинномерный) бездефектный материал с предельным значением СЧФС иди СЧФХ σ с существенным снижением и устранением разброса свойств и характеристик, включая проводимость ЭТ.
Вернемся снова к рассмотрению трех состояний вещества по масштабному фактору.
НМС вещества - это обычное объемное (или массивное) состояние тел в окружающем нас мире: в быту, промышленности, в природе и т.д.
ВМС вещества по масштабному фактору возникает в так называемом одноэлементном масштабном эффекте физических свойств и характеристик. Возникает это состояние при снижении линейных размеров массивных тел до размеров тонких и вытеснении макродефектов с поверхности и объема тела. Толщина волокон в этом состоянии d≤50-60 мкм. Оно реализуется в натуральной природе, например, в виде тонких высокопрочных волокон шелкопряда, хлопка, льна, джута и т.д. В промышленности делают разнообразные текстильные искусственные и синтетические высокопрочные ориентированные волокна (например, из полиамидных смол, полиэтилентерефталата и т.д.) для производства тканых материалов, делают волокна для кордов шин автомобилей, волокна для производства нитей, веревок, канатов, такелажных тросов и т.д.
В электротехнической промышленности делают разнообразные тонкие проволоки, которые для высокой прочности и долговечности объединяют в пучки, жгуты и т.п.
CMC вещества возникает в пучках из N→∞ тонких пленок (волокон) при многоэлементном масштабном эффекте физических характеристик и свойств. Как выше отмечено, оно также возникает в одноэлементном масштабном эффекте физических характеристик при снижении линейных размеров тонких тел до размеров сверхтонких. В промышленных масштабах пучковые материалы реализованы, например, в автомобильных кордах, электрических кабелях, текстильных нитях, такелажных тросах, тканях. В натуральной природе пучки реализованы в стволах растений, например, бамбука, тростника, камыша, льна, деревьев и т.д.
Сверхтонкие свободные пленки в настоящее время реализованы в сверхпроводящих углеродных нанотрубках, графеновых пленках, их можно увидеть в паутинках, в мыльных пузырях, нефтяных пятнах на воде и т.д.
Из уровня техники, в частности, из патентной литературы, пучковые материалы, включая ПЭТ из таких свободных пленок толщиной d≤100 нм (0,1 мкм) пока не известны. При снижении толщины d тонких однотипных составляющих элементов пучка и ее стремлении к минимальному значению (d→1 нм), сверхмодовое состояние наступает при существенно меньшем значении N и меньшей материалоемкости. Поэтому пучковые материалы и устройства из таких сверхтонких волокон и пленок представляют существенный интерес. При этом для достижения сверхвысоких значений требуется существенно меньшее число N элементов пучка, а при достижении d=1 нм требуется всего одно значение N=1. Кроме того, понятно, что, если формировать пучок не с тонкими, а сверхтонкими элементами, или близкими к такому состоянию, то можно получить более высокие результаты. Это как по абсолютным значениям физических характеристик и свойств, так по их материалоемкости.
Поэтому для выполнения пучкового проводника или устройства с предельными (со сверхвысокими) СЧФС и характеристиками СЧФХ, как вариант, нужно формировать его не только из N>>1 тонких, а из N≥1 сверхтонких однотипных отдельных пленок или волокон толщиной d меньше 100 нм (d<100 нм). Следовательно, при формировании пучка из тонких пленок, чтобы добиться получения сверхмодового состояния, требуется использовать большее количество составляющих элементов N, чем при формировании его из пленок или волокон близких по толщине к сверхтонким.
С другой стороны, одиночная (одноэлементная) сверхтонкая пленка или волокно, имея сверхвысокие удельные характеристики, имеет низкую суммарную долговечность и прочность в абсолютном выражении. Выходом из этой ситуации является формирование пучка из N>1, N>>1 или N>>10 и т.д. тонких или сверхтонких токопроводящих пленок или волокон. Например, свойство проводимости материала ПЭТ или его обратная величина - электрическое сопротивление R зависит от степени ее чистоты, т.е. от количества и концентрации содержащихся в нем инородных включений или примесей, являющихся дефектами структуры материала.
В общем случае, в любой материальной субстанции, включая ПЭТ, образуется и содержится дискретный набор (или спектр) дефектов больших и малых размеров, связанных с явлением дискретности строения. Дискретному спектру дефектов соответствует дискретный спектр СЧФС или СЧФХ тел [16].
Под дефектами понимаются всякого рода примеси, разрывы сплошности с разрывами химических и межмолекулярных связей, или неоднородности структуры и их границы, или любые дислокации, вакансии и несовершенства структуры, связанные, к примеру, с искажением кристаллической решетки проводника и т.д.
Под действием внешних нагрузок (к примеру, механических или электрических), в слабых местах структуры возникают дискретно распределенные дефекты: СМТ, перерастающие в результате их слияния и роста в микротрещины (МикТ) и макротрещины (МакТ) вплоть до разрушения образца [15, 20]. Образовавшиеся таким путем дефекты имеют некоторое распределение по размерам (длинам)
Размеры (длины) дефектов, оцененные нами рентгенофазовыми методами и методами механики разрушения на основе математической теории трещин [15] условно можно разделить на три группы (типа): субмикротрещины (нанотрещины), микротрещины и макротрещины. СМТ - это дефекты с поперечным размером 2,8 нм - 99 нм МикТ - это дефекты с поперечным размером 100 нм - 1000 нм; МакТ - это дефекты размером 1000 нм - 10000 нм и более. То есть наименьший размер трещины в твердом теле составляет 2,8 нм в поперечнике.
1
2
3
n
1
2
3
n
В соответствии с [15], дискретному распределению (спектру) дефектов по их размерам (длинам)  (где i=1, 2, 3, …, n - целые числа) и типам соответствуют дискретный спектр (набор) значений разрывных (механических и электрических) напряжений в виде ряда σ, σ, σ, …, σ или долговечности в виде ряда τ, τ, τ, …, τ (см. фиг. 5), обусловленных дискретностью строения материи.
0
1
2
3
n
1
2
3
n
0
1
2
3
n
0
1
2
3
n
Явление дискретности физических свойств и характеристик, обусловленное дискретностью строения тел носит универсальный характер: дискретному спектру дефектов по размерам соответствует не только дискретный спектр уровней механической и электрической прочности, но и дискретный спектр уровней электрических сопротивлений R, R, R, R, …, R (поскольку значение сопротивления равно нулю, то для удобства он обозначен нулевым уровнем сопротивления, а не первым уровнем) (фиг. 7) и дискретный спектр физических свойств в целом. В общем случае, дискретному спектру дефектов структуры соответствуют дискретные уровни или дискретный спектр физических свойств Ф, Ф, Ф, …, Ф. Дискретный спектр уровней свойств включают в себе все наблюдаемые ранее уровни СЧФС или СЧФХ - долговечности, прочности, уровни сопротивлений R, R, R, R, …, R или уровни диссипации энергии Е, E, Е, Е, …, E, (поскольку диссипация имеет нулевое значение, то для удобства он обозначен нулевым уровнем диссипации, а не первым уровнем) уровни диэлетрических потерь [15, 16, 21, 24] (фиг. 5, 7, 8-9) и т.д. (см. более подробно об уровнях сопротивлений в нижеследующем разделе 4).
Такая структурная иерархия дефектов и физических свойств проявляется во всех тердых телах, независимо от природы и сложности строения: в металлах, полимерах, стеклах, композитах и в керамике, в проводниках, диэлектриках, и полупроводниках органического и неорганического происхождения, и т.д. [15, 21].
Уровни СЧФС и СЧФХ тонких волокон или пленок графически представлены в виде максимумов на дифференциальных кривых распределения физических свойств и характеристик (фиг. 5) или горизонтальных площадок на интегральных кривых распределения свойств и характеристик (фиг. 7-8).
Эти выделенные дискретные значения разрывных напряжений, долговечности, электрического сопротивления, диссипации энергии, др. физических свойств и характеристик на их кривых распределениях были, выше, названы дискретными уровнями СЧФС или СЧФХ.
В любой материальной субстанции, включая, например, проводник ЭТ, есть локальные зоны (ЛЗ) или участки, или кластеры не только с дефектами или примесями, но и чистые зоны, находящиеся в CMC, где нет дефектов. Это позволяет электронам двигаться в этих чистых зонах, при приложении токовой нагрузки, без столкновений и потерь (т.е. без диссипации).
Для обеспечения бездиссипативности движения электронов, по крайней мере, по направлению движения электронов должно быть обеспечено отсутствие дефектов [22]. (Yugay K.N. On the possible Nature of "Room-Temperature Superconductivity". Russia-Korea Science Conference, Present collected articles, Ekaterinburg, Jul. 4-5, 2014).
Эти безстолкновительные и бездиссипативные зоны, по существу, являются СПЗ, которые также, как и локальные зоны, с дефектами расположены хаотично, имеют произвольную форму и конфигурацию. Однако эти бездиссипативные локальные зоны ЛЗ не проявляются при измерениях, поскольку они разрознены и не связаны электрической цепью, и кроме того, они замаскированы наличием дефектных (или примесных) зон. Причем, чем меньше масштаб, т.е. геометрические размеры рассматриваемой локальной зоны, тем степень ее чистоты выше. Это потому, что большие по размерам дефекты или примеси из-за большого масштаба, в маленьких по геометрическим размерам зонах (кластерах) образца, не могут поместиться или не попадают.
В целом, содержание дефектов в образце зависит от технологических особенностей формирования и предыстории его изготовления. Локальные чистые зоны в зависимости от технологической предыстории, также как и дефекты, имеют определенные геометрические размеры, произвольную форму и конфигурацию. Местонахождение в образцах локальных зон с дефектами и без дефектов, как и распределение их по объему в том или ином месте материала проводника ЭТ статистически случайное. Случайные величины определяются, как известно, их статистической функцией распределения или плотностью распределения вероятностей. Поэтому методы поисков и определения, а также исследования этих зон, также как и методы исследования самих дефектов, должны быть статистическими.
В массивных (толстых) образцах проводников имеется целый спектр или набор дефектов структуры (больших и малых размеров), влияющих на его СЧФХ и СЧФС, в частности, электрические, включая ЭС.
При этом наличие локальных бездефектных зон и их влияние на физические свойства образца, в частности, электрической проводимости можно определить только статистическими методами. Это потому, что они (эти бездефектные зоны) разрознены и не связаны в одну электрическую цепь и, таким образом, они маскируются наличием зон с грубыми дефектами и не проявляются при измерениях.
Эта задача решается в рамках пучковой технологии (ПТ), в котором путем объединения ЛЗ в пучок между противоположными контактами из числа не менее k≤2 шунтируются зоны с дефектами, а бездефектные ЛЗ соединяются в одну электрическую цепь.
В массивных ПЭТ практически нет экспериментального разброса значений ЭС и других СЧФХ и СЧФС образцов (например, см. фиг. 2). По отсутствию или наличию экспериментального разброса данных измерений в этих проводниках можно судить о том, массивные они, тонкие или сверхтонкие. Статистическими методами удалось их не только обнаружить, но и определить их поперечные размеры.
Массивные образцы пленок и волокон, не имея практически экспериментального разброса (фиг. 9), характеризуются нормальными унимодальными статистическими распределениями дефектов и соответствующих им физических свойств и характеристик, включая ЭС (см. на фиг. 2 кривую для образцов с ).
В тонких пленках и волокнах (проволоках), т.е. малых по толщине или диаметру проводниках грубые дефекты структуры, например, макротрещины, влияющие на физические свойства, в частности, электрическую проводимость, отсутствуют (из-за большого поперечного размера дефектов, например, превышающих толщину или диаметр образцов). Их там быть не может потому, что они там не могут поместиться и потому проявляется только весь спектр (набор) тонких дефектов структуры, влияющих на их проводимость, включая ЛЗ различной степени чистоты и поперечных размеров. Поэтому разброс электрического сопротивления и других СЧФС и СЧФХ в тонких образцах существенный (см. фиг. 2, 7).
Тонкие пленки и волокна поэтому характеризуются полимодальными статистическими распределениями дефектов и соответствующих им физических свойств и характеристик (см. фиг. 9b), включая ЭС (фиг. 7).
i
Чем меньше будет масштаб проводника, тем больше будет экспериментальный разброс значений ЭС (см. фиг. 2). Поэтому в серии малых по масштабу однотипных (одинаковых) тонких проводников будут значения с как угодно малыми значениями электрического сопротивления R, например, нулевыми, так и со значениями как угодно большими (фиг. 1 и 7).
Сверхтонкие пленки и волокна, в отличие от тонких, характеризуются вырожденными узко-симметричными унимодальными статистическими распределениями. К сверхтонким относятся пленки и волокна толщиной d≤0,1 мкм (100 нм). В них в начальном состоянии, на молекулярном и надмолекулярном уровнях, микротрещины, из-за большой их размерности, отсутствуют. Если снижать толщину сверхтонкой пленки или волокна до размеров атома в поперечнике, т.е. в 1 нм и ниже размера минимальной СМТ в поперечнике, равной 2,8-10 нм, то такая сверхтонкая пленка или волокно, имеют идеальную бездефектную структуру на атомном уровне.
Бездефектные зоны в сверхтонких пленках и волокнах имеют большую протяженность и практически они являются длинномерными по сравнению с бездефектными локальными зонами в тонких или в массивных (объемных) образцах.
Таким образом, в объеме сверхтонких пленок толщиной d=1 нм дефекты отсутствуют по всей толщине, ширине и длине (протяженности), а в объеме волокон (сверхтонких), имея только два измерения (толщину и длину) дефекты структуры отсутствуют по всей толщине и длине.
Поскольку бездефектные зоны встречаются не только в сверхтонких, но и в тонких и в массивных пленках (и волокнах), то они различаются между собой протяженностью. В массивных пленках и волокнах они менее протяженны, чем в тонких и сверхтонких, из-за наличия в них грубых хаотично распределенных макродефектов структуры. Из данных по измерению ЭС приведенных на фиг. 2 и в таблице 1 видно, что в статистических ансамблях из 100 медных образцов толщиной 120 мкм при снижении рабочей длины с l=200 мм до l=3000 мкм, только в выборке из 3 миллиметровых образцов имеются образцы с нулевым электрическим сопротивлением. Это свидетельствует о том, что поперечный размер бездефектной ЛЗ составляет 3000 мкм. Однако, если увеличить не рабочую длину образца, а рабочую толщину d до 270 мкм, то поперечный размер локальной бездефектной зоны ЛЗ снизится до 1000 мкм. Это свидетельствует в пользу того, что для увеличения протяженности проводника с нулевым значением ЭС, надо снижать не рабочую длину образца, как это было в прежнем нашем изобретении [14] (прототип), а рабочую толщину d токопроводящего волокна или пленки.
i
Поэтому для устранения недостатков, имеющихся в прототипе [14], в настоящем изобретении предлагается снижать не рабочую длину, а рабочую толщину образцов-проводников. Будет корректным, если толщину снижать до поперечных размеров дефектов в структуре токопроводящего волокна или пленки, желательно до минимальных размеров, т.е. до размеров d=l≤2,8 нм. Будет идеальным, если снизить толщину токопроводящей пленки или волокна до 1 нм. Тогда, практически, мы гарантировано получим бездефектный и бездиссипативный длинномерный проводник с нулевым сопротивлением.
Поэтому предпочтительней использовать способ изготовления длинномерных бездефектных образцов (проводников электрического тока) путем снижения рабочей толщины пленок или волокон. При этом эффект необычайно высокого роста СЧФС и СЧФХ одиночных одноэлементных образцов, возникающий при снижении масштаба, был назван нами ранее одноэлементным масштабным фактором [17], обсуждение которого в целях лучшего понимания сущности изобретения будет продолжено нижеследующем разделе.
Феномен одноэлементного масштабного фактора - это эффект необычайно высокого роста значений СЧФС и характеристик СЧФХ одиночных (одноэлементных) образцов при снижении их линейных размеров, например, толщины пленки или волокна [17]. (см. Цой Б. Закономерность изменения физических характеристик одноэлементных структур полимеров и твердых тел при изменении масштаба (эффект Б. Цоя). Москва. Диплом на открытие №247 от 02 марта 2004 г. Рег. №293).
В одноэлементном эффекте при снижении масштаба образца происходит вытеснение дефектов с поперечными размерами больше толщины образца (пленки или волокна) с его объема, поверхности, края и увеличение его средних значений СЧФС и СЧФХ, например, прочности (механической и электрической), долговечности (механической и электрической), электрической проводимости и т.д.
0
При снижении толщины d массивной токопроводящей пленки или волокна, любым известным способом, до какого-то минимального размера, например, d<50-60 мкм, грубые дефекты (макротрещины) исчезают с края, поверхности и объема образцов, поскольку они (эти дефекты или трещины) из-за большой своей размерности не могут попросту поместиться в образцах, поперечные размеры которых меньше поперечных размеров самих дефектов.
Массивные образцы, таким образом, при снижении толщины, становятся тонкими и переходят в высокомодовое состояние из-за отсутствия (вытеснения) в них грубых макроскопических дефектов структуры. Это особое физическое состояние, характеризуется, в силу универсальности явления дискретности строения и физических свойств твердых тел, высокими физическими свойствами и характеристиками: высокой механической и электрической прочностью, высокой механической и электрической долговечностью, высокой электрической проводимостью и низким сопротивлением электрическому току и т.д.
В высокомодовом состоянии образцов твердого тела грубые начальные макротрещины отсутствуют. В них под нагрузкой, в серии одинаковых образцов, возникает (образуется), как отмечено выше, весь спектр тонких дефектов структуры, которые соответствуют СМТ, перерастающие в микротрещины и макротрещины в результате их слияния и роста, обнаруживаемых (измеряемых) методами рентгенофазового анализа и механики разрушения [15].
Соответственно СЧФС и СЧФХ тонких пленок и волокон, включая электрическое сопротивление R, имея в соответствии с феноменом дискретности строения тел и их физических свойств, дискретный набор дефектов, имеют большой экспериментальный разброс данных (фиг. 7-8, фиг. 10). Практически, это означает, что если один образец под нагрузкой может, например, не разрушаясь просуществовать 1 секунду, а другой точно такой же (однотипный, одинаковый) разрушится в течение 1 месяца или более (см. фиг. 10). Или, к примеру, один образец проводника ЭТ из однотипной (одинаковой) серии может иметь нулевое электрическое сопротивление, а другой может иметь 0,5 или 1 Ом или более (фиг. 7).
Изготовление изделий из этих материалов, имеющих неоднозначные значения, естественно, на практике очень затруднительно и не желательно. Хотя средние значения СЧФС и СЧФХ, высокие, например, долговечности, прочности, электрической проводимости. На практике для того, чтобы использовать изделие с низким или другим требуемым значением проводимости или сопротивления делают отбор (или разбраковку).
Для того чтобы устранить разброс СЧФС и СЧФХ в примерах приведенных выше, необходимо весь объем выборки из не менее 100 образцов объединить в пучок между двумя противоположными контактами из числа K≥2.
Такой пучок будет иметь наименьшее значение ЭС и др. СЧФС и СЧФХ. Или он будет иметь нулевое электрическое сопротивление, если хоть один образец в выборке будет близким к нулю или нулевым значением.
При объединении в пучок из не менее N=100 составляющих тонких элементов (согласно отработанной нами методики [15], все случайные элементы и их значения, включая те, которые в [10] характеризуются как блуждающими сверхпроводниками будут включены в пучок. Объединение в пучок устранит случайные значения и эффекты, включая блуждающий характер сверхпроводимости, а также разбросы данных эксперимента (см., например, фиг. 1, 7 и 8). Более подробно эффекты в пучках рассмотрены в нижеследующем разделе 3.5.
min
Однако для того, чтобы каждый испытуемый образец гарантировано имел нулевое сопротивление снижают, к примеру, толщину d токопроводящих пленок и волокон до размеров меньше поперечных размеров минимального СМТ, равного l=2,8-10 нм. Наиболее идеальным и корректным будет, если толщину d снизить до размера атома вещества в поперечнике - 1 нм (d=1 нм), т.е. минимального размера, до которого тело существует как вещество. На практике такому условию соответствуют пленки графена.
i
При этих условиях все испытуемые образцы перейдут в бездефектное состояние, поскольку при толщине пленки или проволоки d<2,8 нм дефекты, имея поперечный размер l>(2,8-100) нм, в них не могут разместиться, а значит попасть в структуру образца. И тогда мы получаем, как уже известно, бездефектное состояние, названное сверхмодовым, характеризующимся сверхвысокими (предельными) физическими свойствами и характеристиками. Применительно к одноэлеметным проводникам ЭТ - это бездефектное состояние будет бездиссипативным для движения электронов, т.е. сверхпроводящим состоянием и проводник в этом случае катастрофически теряет электрическое сопротивление до нуля. Поскольку это состояние сверхмодовое, то не только электрические, но и все СЧФС и СЧФХ будут иметь предельные значения.
В сверхмодовом состоянии экспериментальный разброс СЧФС и СЧФХ исчезает, все структурно-чувствительные физические свойства и характеристики материалов приближаются к предельным или близким к теоретическим значениям.
Сверхмодовое состояние, таким образом, является бездиссипативным сверхпроводящим состоянием. Однако, одиночные (одноэлементные) бездефектные бездиссипативные образцы, обладая предельной (сверхвысокой) удельной прочностью и долговечностью, а также нулевым сопротивлением электрическому току и др. СЧФС, обладают низким суммарным значением механической прочности и долговечности и др. СЧФС и СЧФХ. Поэтому одиночные бездиссипативные проводники электрического тока могут быть использованы на практике в ограниченных областях, например, в радиоэлектронных устройствах и конструкциях, находящихся на бездефектных свободных подложках, например, типа графеновых, где подложка будет нести всю механическую нагрузку, а одноэлементный сверхтонкий проводник будет нести высокую и сверхвысокую токовую нагрузку.
Структура сверхпроводника несмотря на то, что используются его электрические свойства, должна иметь для практического использования достаточную суммарную механическую прочность, долговечность и др. СЧФС и СЧФХ. Для того, чтобы выдерживать большие суммарные механические нагрузки, проводник должен быть многоэлементным, т.е. должен быть в виде пучка тонких или сверхтонких волокон, или пленок.
Решением задачи является использование упомянутого выше эффекта пучка или эффекта многоэлементного масштабного фактора, позволяющего реализовать сверхмодовое состояние в массивном (объемном) образце-пучке и получить высокое и сверхвысокое суммарное значение структурно-чувствительных физических свойств и характеристик, включая сверхнизкое сопротивление, без жесткого требования бездефектности всех составляющих элементов. Такая многоэлементная (пучковая) структура согласно нашим экспериментальным данным и теоретическим расчетам (см. главу 5 в [15]). имеет долговечность под нагрузкой как минимум на два десятичных порядка (т.е. в 100 раз) выше, чем одноэлементная структура (см фиг. 11).
Ценность пучковой технологии в изготовлении проводников с нулевым, сверхнизким или низким значением ЭС с высокими, сверхвысокими (предельными) значениями других СЧФС и СЧФХ заключается в том, чтобы достичь сверхмодового состояния не обязательно требование бездефектности составляющих элементов пучка. В концепции пучковой технологии не требуется стремление толщины d к 1 нм (d→1 нм).
Для изготовления пучкового проводника с искомыми СЧФС и СЧФХ вполне подходят и тонкие, и сверхтонкие составляющие элементы пучка. Изготовление составляющих элементов пучка без их очистки от всяких примесей, включений и нарушений структуры, являющихся дефектами структуры, на сегодняшний момент в уровне техники технологически более доступно, экономически дешевле и менее сложно.
Поэтому пучковый сверхпроводник вполне может претендовать на роль прочного, сверхпрочного и долговечного ПЭТ с предельными значениями других СЧФС и СЧФХ, пригодного для практических целей в услових воздействия различных факторов. Ниже кратко обсудим этот природный феномен, использованный в изобретении.
Явлением многоэлементного масштабного фактора или эффектом пучка назван феномен сверхвысокого (предельного) усиления структурно-чувствительных физических свойств и характеристик тел, возникающий в структуре, включая электрическую проводимость, которая состоит не из одиночного элемента, а из множества N тонких отдельных индивидуальных однотипных одиночных составляющих элементов [19].
Возникает этот эффект с увеличением числа N однотипных отдельных одиночных тонких (не массивных) элементов при объединении их в пучок, жгут, стопу, трос и т.д. между двумя противоположными контактами из числа К≥2.
Возникает эффект пучка не за счет вытеснения дефектов из структуры края, поверхности и объема материала, а за счет их шунтирования (блокирования) бездефектными однотипными отдельными тонкими составляющими элементами пучка.
Согласно математическому закону больших чисел, число N→∞, а толщина d составляющего пучка должна стремиться к бесконечно малому числу Δ. На практике достичь до ∞ невозможно, но достичь достаточно большого числа N при достаточно малом значении толщины d для достижения эффекта усиления (эффекта пучка) СЧФС и СЧФХ возможно.
Многоэлементные структуры или пучки тонких твердых тел (волокон или пленок), как и сверхтонкие моноэлементы (волокна и пленки) находятся в особом физическом состоянии. При объединении тонких индивидуальных составляющих моноэлементов (одиночных элементов) из числа N>1, предпочтительно, N>>1 (N→∞) в пучок между противоположными контактами, возникает совершенно новое необычное физическое (сверхмодовое) состояние (состояние пучка). Переход в сверхмодовое состояние, переход количества в качество, при стремлении N→∞, фактически, является динамическим фазовым переходом.
В сверхмодовом состоянии, без изменения гетерогенности структуры, устраняется экспериментальный разброс данных измерений, существенно (катастрофически) увеличиваются все макроскопические СЧФС и СЧФХ: механическая прочность и долговечность, электрическая прочность и долговечность, электрическая проводимость, емкость, индуктивность и т.д. При этом обратные величины, например, электрическое сопротивление, механические и диэлектрические потери и т.д. также катастрофически, практически, снижаются до нуля, см. фиг. 1, 3, 6-8.
Статистическое распределение многоэлементного пучка вырождается в узкосимметричное мономодальное распределение подобно тому как это было в феномене одноэлементного масштабного фактора при снижении масштаба. Это особое физическое состояние тел возникает, в отличие от одноэлементного масштабного фактора, без изменения дискретности или гетерогенности структуры отдельных составляющих моноэлементов, а также, в частности, без изменения их химической структуры. Причем, при простом увеличении числа N отдельных тонких составляющих моноэлементов (без энергозатрат на изменение химического строения составляющих элементов) можно достичь прочности химической связи и получить материалы со сверхпроводящими электрическими и сверхвысокими прочностными свойствами, а также обладающими рядом других предельных физических свойств и характеристик.
Следовательно, из вышеизложенного следует, что если мы изменяем не толщину тонких индивидуальных однотипных отдельных составляющих элементов (она остается тонкой и постоянной вдоль всей своей длины или протяженности), а изменяем число N составляющих элементов, то мы тем самым изменяем, масштаб V (в частности, суммарную толщину) образца-пучка и достигаем эффекта катастрофического усиления СЧФС и СЧФХ (или эффекта пучка), включая в данном случае электрическую проводимость проводника.
В эффекте одноэлементного масштабного фактора высокий рост и усиление свойств происходит за счет снижения масштаба одиночного одноэлементного образца, вытесняющего таким путем дефекты структуры поверхности и объема образца, изменяющего гетерогенность структуры образца.
В многоэлементном масштабном (размерном) эффекте происходит эффект шунтирования или блокировки дефектов и эффект устранения разброса данных измерений и сверхвысокого (катастрофического) увеличения и усиления СЧФС и СЧФХ при увеличении в многоэлементной структуре в виде пучка или стопы числа N тонких индивидуальных отдельных однотипных параллельных составляющих элементов.
Эффект пучка возникает, таким образом, не за счет дальнейшего снижения масштаба тонких составляющих элементов и вытеснения дефектов из них, а за счет их шунтирования тонкими бездефектными элементами в пучке; при этом масштаб (размерность) образца-пучка увеличивается за счет увеличения числа N тонких индивидуальных составляющих элементов в пучке.
Эффект пучка не возникает при объединении в пучок массивных (объемных) тел, т.е. тел с большими геометрическими размерами составляющих элементов. Это потому, что в ансамбле массивных составляющих элементов пучка все СЧФС и СЧФХ находятся на низких уровнях. И сколько бы не увеличивали число N составляющих, никакого перераспределения с низких уровней на высокие не будет потому, что в массивных составляющих элементах высоких уровней нет.
0
0
Далее, поскольку пучок, представляет статистическую выборку из числа N элементов, то согласно математического закона больших чисел, это число элементов в пучке N→∞, a геометрические линейные размеры, например, толщина элементов должна в идеальном случае снижаться до бесконечно малых величин Δ (d→Δ). Такому условию соответствует толщина однотипного элемента, равная поперечному размеру наименьшего по размеру СМТ, составляющего в твердых телах l<2,8 нм. В идеальном случае l=1 нм (размер атома вещества в поперечнике).
При этом составляющие элементы пучка должны быть не связанными друг с другом, отдельными, т.е. отделенными диэлектрической прослойкой и однотипными (одинаковыми), тонкими, обладающими одинаковым функциональным назначением. В пучке материал или конструкция имеют предельные (сверхвысокие) значения СЧФС и СЧФХ, поскольку по закону больших чисел в пучке из N→∞ элементов дисперсия измеряемой величины снижается, а его функция распределения или плотность вероятности ρ сужается. Такое сужение функции распределения плотности вероятности ρ соответствует образцам со сверхвысокими физическими свойствами и с хорошо организованной идеальной бездефектной структурой, либо многоэлементному пучку, содержащему тонкие отдельные однотипные (одинаковые) элементы.
Многоэлементный подход в изготовлении материалов и устройств с предельными физическими свойствами и характеристиками назван пучковым, а концепция технологии - названа пучковой технологией материалов и устройств с предельными свойствами и характеристиками (см. ниже).
В концепции пучковой технологии требование бездефектности составляющих элементов пучка, таким образом, не является обязательным и жестким. В многоэлементной структуре (пучке), тонких отдельных однотипных (одинаковых) пленок или волокон (проволок), объединенных в параллельную цепь, между двумя противоположными контактами происходит шунтирование дефектов и решающую роль играют бездефектные элементы. Шунтирование происходит за счет того, что бездефектные составляющие элементы при объединении в пучок между противоположными контактами образуют одну непрерывную цепь. Иными словами в пучковом проводнике ЭТ, электроны выбирают из множества N путей наиболее термодинамически выгодные.
Поэтому объединение большого числа N отдельных однотипных элементов (пленок, волокон) в пучок (т.е. в параллельную цепь) между противоположными контактами) эквивалентно химической очистке материала от дефектов и примесей.
С другой стороны, это позволяет использовать эффект пучка в технологии изготовления комнатно-температурных сверхпроводников с предельными СЧФС и СЧФХ, который позволяет не требовать от составляющих пучок проволок или стопу пленок жестких требований относительно дефектности, но что является необходимым при использовании отдельных, одиночных элементов (моноэлементов). Где, кроме того, требуется достижение толщины волокна или пленки до d≤2,8 нм, а в идеале толщина должна составлять d=1 нм.
Эффект пучка исчезает при использовании образцов больших поперечных размеров, например, при толщине волокна или пленки d>50 мкм.
Это позволяет использовать вместо сверхтонких пленок или волокон тонкие, но, однако их количество N должно быть достаточно большим и стремиться к бесконечно большой величине (N→∞). С другой стороны, технологически, на данном этапе развития техники, осуществить пучок из тонких элементов легче и проще, чем одноэлементную сверхтонкую структуру толщиной 1 нм ≤ d ≤ 100 нм. Только в этом случае необходимо корректно подобрать оптимальное число составляющих элементов N при заданной толщине d и длине l волокна, или толщине d, ширине h и длине l, если это пленка.
Пучковая многоэлементная структура сверхпроводящего проводника (кабеля) дает важный коллективный эффект: она открывает N-канальный баллистический транспорт электронов (N - число однотипных тонких составляющих проводящих индивидуальных элементов пучка или стопы). Движение электронов в стационарных динамических состояниях в низкоразмерных (тонких) структурах является бездиссипативным. Причем, электроны вследствие размерного квантования находятся в связанном состоянии между собой, т.е. этот транспорт является сверхпроводящим. Подчеркнем, что квантовый характер тока, баллистический и бесстолкновительный перенос электронов, имеют место именно в низкоразмерных бездефектных структурах.
с
Если сверхпроводящие пленки или волокна в пучке отдельны, т.е. разделены между собой тонкими диэлектрическими прослойками, то эти отдельные проводящие слои будут обмениваться электронами по туннельному механизму в соответствии с эффектом Джозефсона. Поперечный джозефсоновский туннельный ток будет способствовать ослаблению эффективного кулоновского притяжения между электронами и, следовательно, уменьшению критической температуры Т.
Отсюда следует, что диэлектрические прослойки (отделители) между проводящими пленками или волокнами должны быть такой толщины, чтобы максимально уменьшить поперечный джозефсоновский обмен электронами между этими слоями (составляющими элементами пучка). Практически, для этого отделители необходимо выполнять многоэлементными, т.е. пучковыми из числа N≥1 тонких или сверхтонких составляющих диэлектрических пленок.
Поскольку в феномене пучка нет жесткого требования бездефектности индивидуальных составляющих элементов пучка, то это чрезвычайно важно для практики при изготовлении комнатно-температурных сверхпроводников.
0
с
Практически, необходимо, чтобы толщина d составляющих элементов пучка была тонкой, но находилась по величине ближе к диапазону толщин сверхмодового состояния. Толщина должна быть по возможности намного ниже 50 мкм (d<<50 мкм). Необходимо, чтобы d→(d≤100 нм). Именно в этом случае эффективное притяжение между электронами, переводящее их в сверхпроводящее состояние, может быть максимальным, что в свою очередь смещает критическую температуру Т в область комнатных значений и выше.
Как показано в [22], кристаллическая структура низкоразмерной системы должна быть максимально бездефектной вдоль направления течения тока, чтобы это движение было бездиссипативным.
Однако, например, при эпитаксиальном росте тонкой пленки на твердой подложке дефекты поверхности подложки будут приводить к появлению дефектов на выращиваемой пленке. Кроме того, при несовпадении параметров подложки и пленки даже при отсутствии поверхностных дефектов подложки слой (токопроводящей) пленки, примыкающий к подложке, будет растягиваться или сжиматься в зависимости от соотношения параметров кристаллических решеток этих двух сочетаемых материалов. Деформация сопровождается возникновением механических напряжений в выращиваемой пленке, что приведет к возникновению диссипации при токовом движении электронов. Иными словами, в пленке должны быть созданы условия для создания стационарного динамического состояния, при котором диссипация отсутствует. Отсюда следует, что пленки, используемые в качестве подложки должны быть свободными от дефектов.
Однако, в концепции пучковой технологии, как выше отмечено, требование бездефектности составляющих элементов пучка не является жестким и обязательным.
Это позволяет использовать концепцию пучковой технологии в изготовлении комнатно-температурных сверхпроводников, который позволяет не требовать от составляющих пучок проволок или стопу пленок жестких требований относительно дефектности, но что является необходимым при использовании отдельных, одиночных элементов.
В соответствии с феноменами одноэлементного и многоэлементного масштабного факторов, применяя принцип температурно-временной, масштабной и силовой эквивалентности (ТВЭ), используя статистическую методику определения и нахождения функций распределения ЭС получим комнатно-температурные протяженные сверхпроводники ЭТ.
На практике, чтобы обеспечить гарантированное выполнение проводника с предельными значениями СЧФС ил СЧФХ, включая нулевое, сверхнизкое или низкое сопротивление, число N составляющих токопроводящих волокон (пленок) пучка, учитывающих дефектность и бездефектность, толщину d, ширину h и длину l проводников ЭТ, авторами предлагаются математические соотношения, приведенные ниже.
Ниже предлагаются формулы для оптимального выбора (расчета) числа отдельных однотипных составляющих элементов N в пучке, для получения предельных значений СЧФС и СЧФХ, учитывающего дефектность и бездефектность составляющих элементов пучка, а также внешнюю нагрузку F (механическую или электрическую) и масштаб составляющих элементов V пучка (толщину d, ширину h и длину I). Предлагаются два варианта оценки числа N.
d
Вариант 1. Пусть  есть объем дефекта, разрушающий сверхмодовое состояние (CMC);  - длина дефекта, s - площадь его поперечного сечения.
э
Пусть V - объем материала, из которого изготовляются составляющие элементы пучка. Далее пусть  - объем составляющего элемента пучка,  - длина составляющего элемента пучка, s - площадь поперечного сечения составляющего элемента пучка.
э
э
0
Изготавливаем из исходного материала число N=V/V элементов пучка, из которых далее составляются (компонуются) многоэлементные пучки, каждый из которых состоит из N элементов. Тогда, если Р есть доверительная вероятность, с которой в многоэлементном пучке должен быть хотя бы один элемент, не содержащий дефект, разрушающий CMC, то есть элемент, находящийся в CMC, то число элементов находящихся в CMC в каждом многоэлементном образце-пучке должно удовлетворять условию
где Р есть экспериментально установленная доля многоэлементных пучков с эффектом CMC в их выборке (пучке) из числа составляющих элементов, подготовленных к изготовлению многоэлементного пучка, с приведенными выше геометрическими характеристиками.
Теоретическая формулировка выражения (3.2) имеет следующий вид
d
где n есть среднее число дефектов, разрушающих CMC, в единице объема исходного материала.
Соотношение (3.2), таким образом, учитывает наличие в статистической выборке хоть одного образца, находящегося в CMC. При требовании изготовления материала с заданным значением СЧФС или СЧФХ, т.е. в случае, если в статистической выборке отсутствует хоть один элемент, находящийся в CMC, соотношение выглядит так:
где Р - экспериментально установленная доля материалов со значением СЧФС и СЧФХ ,  - нижняя граница СЧФС или СЧФХ,  - требуемое или заданное значение СЧФС или СЧФХ пучка.
р,м
р
p
р,м
р,м
p
k
k
р,м
p
р,м
p
р,м
р
р,м
р,м
k
2
Вариант 2. Пусть задан уровень внешнего воздействия F, который должен выдерживать образец при сохранении своей работоспособности, а σ есть значение СЧФХ или СЧФС σ, реагирующей на указанное внешнее воздействие, соответствующее выбранному ее уровню (моде) на дифференциальных кривых распределения СЧФС (СЧФХ) или соответствующей горизонтальной площадке на интегральной кривой распределения СЧФХ или СЧФС материала с заданными геометрическими размерами длиной , толщиной d и шириной h [15], так что все образцы со значением σ≥σ являются высокомодовым. То есть, σ определяет нижнюю границу σ, принимаемой по технологии изготовления многоэлементного образца-пучка, области высокомодовости образца (материала) и является функцией указанных геометрических размеров . Критическое число N высокомодовых элементов определяется уравнением N=F/(σ⋅s), где s=πd/4 есть площадь поперечного сечения одного составляющего элемента пучка, если образец имеет круговое сечение, или s=d⋅h, если образец имеет прямоугольное сечение. Каждый многоэлементный образец-пучок, состоящий из N элементов можно рассматривать как результат N повторных испытаний, в которых успехом является попадание элемента с уровнем структурно-чувствительной характеристики или свойства σ>σ в многоэлементный образец (пучок). Вероятность успеха равна р. Она определяется из кривых распределения СЧФХ (СЧФС), или по вариационной диаграмме распределения СЧФХ (СЧФС) материала с заданными геометрическими размерами как доля элементов с уровнем структурно-чувствительной характеристики или свойства σ>σ. Вероятность неуспеха q=1-р, таким образом, есть доля одноэлементных образцов со значением СЧФХ (СЧФС), σ<σ, то есть ниже σ. Так как N>>1, то для определения N можно применить интегральную теорему Лапласа для распределения Бернулли, в соответствии с которой вероятность модуля отклонения случайной величины N от ее математического ожидания Np на величину меньше, чем ε>0, то есть Р (|N-Np|<ε), определяется уравнением
k
Б
p
р,м
где  есть функция Лапласа, 1-α есть доверительная вероятность. Так как распределение Бернулли в рассматриваемом случае, когда N>>1, N>>1 и р является не очень малым, имеет асимптотический вид нормального распределения, то выполняется правило трех сигма, то есть трех среднеквадратичных отклонений σ, которое в асимптотике распределения Бернулли равно , и означающее, что все отклонения величины N от величины Np сосредоточены на интервале определяемым неравенством  с доверительной вероятностью 1-α=0,9974. Раскрывая это неравенство получим . Потребуем, чтобы выполнялось неравенство . В этом случае выбранное в соответствии с этим неравенством число элементов в многоэлементном образце с доверительной вероятностью 0,9974 гарантирует работоспособность многоэлементного образца под внешним воздействием F после разрушения всех элементов с σ ниже σ. Решая это неравенство получим условие выбора числа элементов в многоэлементном образце (пучке)
k
Отсюда, с учетом того, что N>>1, получим следующий критерий отбора числа составляющих элементов для многоэлементного образца (пучка) с заданной доверительной вероятностью 1-α=0,9974
р,м
Обе величины, р и σ являются экспериментально определяемыми до компоновки многоэлементного образца (пучка), функциями геометрических размеров его элементов длины , толщины d и ширины h, в соответствии со схемой описанной выше.
Пример расчета составляющего элемента пучка N.
Оценим N на примере внешнего воздействия на ПММА в виде внешнего растягивающего напряжения σ.
-1
-3
2
-5
2
8
8
р,м
Имеем при р=10, d=10 m, S=πd/4~7,5⋅10 m F=10 H, σ=8⋅10 МПа.
Содержание дефектов в образцах зависит от технологических особенностей формирования и предыстории их изготовления. Локальные зоны с дефектами и без дефектов в зависимости от технологической предыстории имеют определенные геометрические размеры и конфигурацию. Местонахождение этих зон в образцах, как и распределение по объему в целом, в общем случае, в том или ином месте материала проводника статистически случайное. Поэтому методы выявления, определения и исследования этих зон и дефектов, используемые в заявленном изобретении являются статистическими.
Методика статистических исследований нами описана подробно в главе 1 в монографии [15]. Для доказательства существования и обнаружения локальных бездефетных зон и определения их поперечных размеров, изготавливаются серии токопроводящих образцов-волокон (проводников) с различным масштабом V в каждой: длиной рабочей части 1, толщиной d и шириной h.
i
В каждой такой серии или статистической выборке (ансамбле), для надежности, повторяемости и воспроизводимости результатов измерений, согласно нашим экспериментальным исследованиям [15], должно быть число образцов не менее 100 (N≥100, где N - количество образцов в объеме выборки, а n - порядковый номер образца, I=1, 2, 3, …, n - натуральное число). При этом все образцы, входящие в такую статистическую выборку (ансамбль) должны быть отдельными (изолированными друг от друга), однотипными (одинаковыми), т.е. должны быть изготовлены в одинаковых технологических условиях из одного и того же материала, и должны быть одним и тем же способом изготовлены. Также эти образцы должны иметь одинаковое функциональное назначение. Кроме того, они должны иметь одинаковые массогабаритные размеры (массу, длину, ширину, толщину) и т.д. В идеальном случае число образцов в выборке должно быть бесконечно большим - ∞. Каждая испытанная серия образцов или выборка с однотипными и отдельными образцами проводников отличается друг от друга линейными размерами образцов, а также в общем случае могут отличаться числом N токопроводящих элементов в объеме выборки или серии.
i
i
Далее, измеряются ЭС R каждого члена статистической выборки, которые заносятся в таблицу по номерам последовательности n в порядке возрастания (см., например, результаты измерений в табл. 1-2). Из табличных данных измерений R в графическом виде строится вариационный ряд или распределение значений R по номерам последовательности n в порядке возрастания для выборок с различными геометрическими размерами образцов. Таким путем строились (находились) и исследовали интегральные функции распределения электрического сопротивления, т.е. зависимости сопротивления R от номера последовательности n (фиг. 1-3, 7). Иначе говоря, таким путем рассматривается зависимость значений электросопротивлений каждой статистической серии (выборки, или ансамбля) от толщины d, ширины h и длины l одиночных образцов-проводников.
В целом, общая схема определения, при каких оптимальных линейных размерах одного составляющего элемента надо начинать формировать пучковый материал (устройство), в частности, проводник ЭТ состоит в следующем. Предварительно необходимо провести статистические измерения искомых СЧФХ или СЧФС в зависимости от его линейных размеров (толщины d, ширины h и длины ) с учетом геометрических особенностей конструкции многоэлементного изделия (пучка), исходя из которых нужно менять один, два или сразу все три линейных размера d, h, .
По результатам этих измерений d, h,  строится функция распределения плотности вероятности р физической характеристики или свойства σ [(в данном случае ρ(R)] для образцов разных линейных размеров d, h,  до появления полимодальности этой функции распределения. При этом согласно методике (см. главу 1 в [15]), каждому зафиксированному линейному размеру одного элемента (образца) должна соответствовать статистическая выборка или ансамбль из не менее 100 образцов (N≥100).
В процессе указанных измерений постепенно прекращается изменение сначала одного, затем другого линейных размеров по достижении ими нужных геометрических размеров и остается определение оптимального последнего линейного размера. Для пленок и волокон таким линейным размеров является толщина d.
i
Таким образом, практически, для того, чтобы определить при какой оптимальной толщине d волокна или пленки, надо начинать компоновку (формирование) пучкового материала (проводника), необходимо предварительно провести статистические измерения искомых физических характеристик или свойств пленок и волокон различного масштаба, например, толщины d. При этом, согласно методике (см. главу 1 в [15]) каждой толщине d(где i=1, 2, 3,…, n) должна соответствовать статистическая выборка или ансамбль из не менее 100 членов (образцов). Практически, как выше сказано, члены статистического ансамбля располагают в последовательный ряд в порядке возрастания номера n и получают таким путем интегральную кривую или функцию распределения физической характеристики или свойства (см. к примеру, фиг. 4 и далее фиг. 5В). Интегральным функциям распределения строится, для взаимного контроля, дифференциальные (см. фиг. 4 - фиг. 5В), т.е. функции распределения плотности вероятности ρ(σ) [(или в данном случае ρ(R) электрического сопротивления R)] для образцов разлиных масштабов.
Функция ρ(R) вычисляется по формуле [23]:
где N - число образцов данной серии (не меньше 100); n - число образцов из этой серии со значением физической характеристики или свойства R, находящейся в некотором интервале ΔR. Все возможные значения R от нуля до ∞ разбиваются на эти интервалы и каждому интервалу ΔR соответствует свое значение ρ(R) (здесь R - среднее значение R в интервале ΔR). Интервалы ΔR для расчета плотности вероятности ρ(R) выбираются произвольно, но так, чтобы в интервалах, где ρ(R) не близко к нулю, число образцов попадающих в эти интервалы, было существенно больше единицы. Площадь, ограниченная кривой распределения всегда равна по условию нормировки единице:
Примеры графических зависимостей функции распределения плотности вероятности физических характеристик и свойств приведены на фиг. 4-7.
i
i
На интегральных функциях распределения образцы тонких проводников группируются у нескольких отдельных выделенных значений (горизонтальных площадок, см. к примеру, фиг. 7) электрических сопротивления R. На дифференциальных кривых образцы группируются у максимумов функции распределения (см. например фиг. 5В и фиг. 7). Как выше отмечено, эти выделенные значения на интегральных и дифференциальных функциях были названы дискретными уровнями СЧФС, СЧФХ или дискретными уровнями электрического сопротивления R или уровнями диссипации электрической энергии E (фиг. 7).
Различная длина образцов в различных выборках берется для того, чтобы получить и идентифицировать весь набор (или спектр) экспериментального разброса значений ЭС проводника и определить поперечный размер локальной бездефектной зоны. Кроме того, также варьируется толщина образцов d, начиная с достаточно длинномерным масштабом каждой выборки. Таким путем определяется та выборка образцов, в которой найдется хоть один образец с нулевым или наименьшим значением ЭС. Следовательно, рабочая длина l токопроводящего волокна (проволоки) варьируется для определения поперечного размера ЛЗ или сверхпроводниковой зоны (СПЗ), а толщина d - для нахождения наиболее длинномерной протяженной ЛЗ или СПЗ.
При этом, если при снижении длины (толщина остается постоянной) образцов проводника в выборке найдется хоть один образец с нулевым сопротивлением, то эта длина (масштаб) будет соответствовать поперечному размеру бездефектной локальной зоны, являющейся по своим электрическим свойствам сверхпроводником. В целом эти нулевые зоны замаскированы и не проявляются, поскольку они разрознены и не участвуют в электрической цепи. Именно поэтому варьируют размеры образцов, чтобы этим самым найти размер соответствующий (совпадающий) размеру сверхпроводниковой (бездефектной) локальной зоны. Если в статистической выборке из числа N элементов найдется хоть один с наименьшим или равным нулю значением электрического сопротивления, то при объединении этой выборки в пучок между противоположными контактами, т.е. в параллельную электрическую цепь, вся выборка (пучок) будут по закону Ома иметь значение сопротивления меньше наименьшего значения или нулевое сопротивление (см. фиг. 1, 7).
0
Однако, если мы будем изменять в выборках не длину образца (длина остается постоянной и достаточно длинномерной и протяженной), а толщину, то при достижении толщины образца d до размеров меньше минимального поперечного размера микротрещины (равного l=100-1000 нм), возникающего при нагружении, мы вытесним с объема все микротрещины этих размеров и размером более 100-1000 нм), а при достижении толщины пленки или волокна до поперечного размера СМТ (2,8-100) нм, будут вытеснены и СМТ этих размеров). При достижении толщины пленки до 1 нм СМТ будет полностью вытеснено с объема пленки или волокна.
В этом случае вся выборка из числа N образцов полностью будет бездефектным, т.е. вся выборка из N элементов будет сверхпроводниковой и длинномерной.
В целом, в этих измерениях, чем массивней будут составляющие элемпенты выборок, тем меньше будет разброс значений ЭС, характеризуемый в статистике коэффициентом вариации Rv или величиной дисперсии δ.
min
0
При переходе из массивного состояния в тонкое, чем меньше будет масштаб, к примеру, толщина пленки или волокна, тем больше будет разброс значений электрического сопротивления и больше величина коэффициента Rv (размах варьирования) и дисперсии δ (см. табл. 1). Изменяя, таким образом, масштаб образцов, находим тот геометрический размер образца, при котором будет наибольший разброс значений ЭС с наибольшей величиной коэффициента вариации Rv и с наименьшей (или нулевой) величиной ЭС R или R в выборке.
Однако, при достижении толщины образцов меньше поперечного размера минимального СМТ в твердом теле, составляющего по нашим данным 2,8 нм, из-за бездефектности всех членов выборки разброс будет полностью отсутствовать, значения Rv и δ будут нулевыми.
Таким путем мы находим (определяем) толщину или длину токопроводящей пленки или волокна d, при которой обнаружатся в серии (в выборке) хоть один или вся серия с наименьшим или нулевым значением ЭС.
O
Если теперь мы объединим в пучок, т.е.в параллельную цепь часть выборки, в которой хоть один образец с необходимым наименьшим значением ЭС или с любым наименьшим значением ЭС, то получим проводник с любым необходимым нам значением электрического сопротивления: низкое, сверхнизкое, нулевое или как угодно большое или маленькое значение R в зависимости от толщины (или длины) и числа отдельных однотипных составляющих элементов. Для примера, обратимся к фиг. 7, где представлена интегральная функция распределения электрического сопротивления медной проволоки толщиной 50 мкм и рабочей длиной в 3 мм, построенная по данным измерений электрического сопротивления из 500 однотипных отдельных образцов. Как видно из фиг. 7, если составить пучок между двумя токовыми электродами-контактами, т.е. параллельную цепь, из 500 медных образцов, расположенных в последовательном ряду от первого, сопротивление которого равно нулю, до 500-го (последнего в ряду), имеющего наибольшее значение сопротивления, то расчеты в соответствии с законом Ома и измерения, показывают нулевое суммарное сопротивление, соответствующее нулевому уровню R.
2
Токи через такие пучки проходят плотностью свыше 5000 А/мм, свидетельствующие о сверхпроводящих свойствах испытуемого пучка. При этом такие пучковые проводники имеют не только сверхвысокие (предельные) значения проводимости ЭТ, но любые СЧФС и СЧФХ, например, долговечность и прочность. Кроме того, в таких пучковых образцах полностью устраняется экспериментальный разброс СЧФС и СЧФХ. Значения СЧФС и СЧФХ становятся прецизионными.
3
3
4
4
1
2
3
n
3
2
1
0
500
Если теперь составим пучок из последовательного ряда, начиная, например, с 175 члена выборки (номера образца), соответствующего уровню R до 500-го, то суммарное значение сопротивления такого пучка составит согласно закону параллельного соединения Ома значению равного меньше значения уровня R. Далее, если составим пучок, начиная со значения уровня R до 500-го, то получим сопротивление, соответствующее значению меньше уровня R и т.д. Эти значения суммарного сопротивления пучков, согласно закону Ома, легко рассчитываются по формуле 1/R=1/R+1/R+1/R+…+1/R. При этом, если есть необходимость получить пучковый проводник с более низким сопротивлением, то расчет суммарного сопротивления надо делать не со значения R, а со значения равного R или R. Если делать расчет с наименьшего значения сопротивления с R до R, то мы получим проводник с нулевым значением сопротивления. Таким путем мы получаем пучковые проводники с заданными значениями электрического сопротивления.
Из изложенного выше, таким образом, следует что в массивных (толстых или объемных) образцах, включая проводники, практически нет экспериментального разброса СЧФС и СЧФХ, а также значений сопротивления (фиг. 2, 4, 9). В тонких волокнах и пленках, в том числе токопроводящих, грубые дефекты структуры, влияющие на его СЧФС и СЧФХ, отсутствуют из-за большого поперечного размера дефектов, превышающего толщину образца, их там быть не может потому, что они там не поместятся.
Поэтому в этом случае проявляется весь спектр тонких дефектов структуры, влияющих на СЧФС и СЧФХ, включая ЛЗ различной степени чистоты.
Поэтому разброс сопротивления в этом случае существенный. И чем меньше будет масштаб, например, толщина или рабочая длина проводника (токопроводящей пленки или волокна), тем больше будет экспериментальный разброс СЧФС, СЧФХ и значений ЭС (см. фиг. 2, 5, 7, 9-10).
i
Поэтому в серии малых по толщине проводников (в тонких пленках и волокнах) будут значения с как угодно малыми значениями сопротивления R так и с его значениями как угодно большими, соответствующими обычным справочным данным.
0
1
2
3
n
0
1
2
3
n
Локальным зонам различной степени чистоты с дискретным набором дефектов соответствуют дискретные уровни электрического сопротивления R, R, R, R, …, R или уровни диссипации энергии Е, E, Е, Е, …, E (фиг. 7).
i
Среднее значение сопротивления R изменяется при переходе от массивных пленок (волокон или проволок) к тонким пленкам (волокнам или проволокам) в результате того, что образцы, содержащие дефекты переходят с высоких уровней R на более низкие уровни электрического сопротивления и наоборот.
i
0
1
5
Графически на кривых распределения или разброса уровни физических свойств и характеристик, в частности, электрических сопротивлений R представлены в виде максимумов плотности вероятности от величины сопротивления (на дифференциальных функциях) или в виде горизонтальных площадок на интегральных функциях (см. на фиг. 7 уровни R, R - R).
В массивных образцах тонкие дефекты структуры маскируются наличием грубых дефектов и они на кривых распределения не проявляются. При снижении масштаба образца, к примеру, толщины пленки или проволоки до микро- и субмикро- или нанодиапазона, любым известным способом, грубые дефекты исчезают (вытесняются), поскольку в тонких пленках и проволоках из-за большой размерности этих дефектов они не могут в них разместиться. Поэтому в тонких пленках и проволоках проявляется весь дискретный спектр тонких дефектов структуры, влияющих на проводимость и др. физические свойства проводника.
d
В целом, в любом проводнике ЭТ, как отмечено твыше, имеются Q число локальных участков (зон или кластеров) не только с дефектами, но и без дефектов, расположенных в материале проводника хаотично и статистически случайно. Кроме того, конфигурация этих зон произвольная, а их поперечные размеры являются также произвольными, которые зависят в общем случае от концентрации дефектов и степени очистки материала проводника. Участки (или кластеры) с дефектами - это зоны или кластеры, где в результате столкновения происходит рассеяние (или диссипация) электрической энергии E.
В зависимости от степени концентрации дефектов той или иной локальной зоны, эти участки проводника будут иметь разную проводимость, т.е. будут иметь высокое, низкое, сверхнизкое или нулевое электрическое сопротивление. Это явление может контролироваться и быть использованным на практике. При необходимости, можно выбирать локальные зоны с той или иной проводимостью и выполнять из них проводники с требуемым значением сопротивления R. Практически это осуществляется изменением масштаба образца.
0
0
Бездефектные локальные зоны находятся в сверхмодовом состоянии (CMC). Они являются бездиссипативными и сверхпроводящими, где электроны движутся без потерь и которым соответствует нулевой уровень сопротивления R или нулевой уровень диссипации энергии Е.
1
2
3
4
5
1
4
5
c
c
c
На статистических кривых распределения уровни R и R относятся к дефектам структуры поверхности пленок и волокон (проволок) проводника, а уровни R, R и R - к более глубоко пролегающим дефектам структуры объема. Поэтому, чтобы вся токопроводящая пленка проводника стала бездиссипативной и сверхпроводящей, необходимо удалить уровни сопротивления RR и R, т.е. необходимо снизить толщину до критического наноразмера d, т,е. до сверхтонкого состояния. Критическая толщина d, при которой в нанопленке (нановолокне или нанопроволоке) появится протяженная бездиссипативная зона или кластер составляет нанометровый диапазон порядка менее 2,8 нм нм, хотя отдельные бездефектные зоны будут проявляться и при больших толщинах ПЭТ и в тонком высокомодовом состоянии. При критической толщине нанопленки или нанопроволоки d=1 нм все образцы (вся выборка) ПЭТ переходят в бездефектное бездиссипативное (и сверхпроводящее) состояние.
Размеры дефектов и концентрация дефектов определяются и оцениваются методами механики разрушения и дифракции рентгеновского излучения [15, 20, 21, 24]. Линейные размеры бездефектных зон и зон с дефектами можно определить, как отмечено выше, только статистическими методами [15].
Результаты измерений СЧФС и СЧФХ тел, включая ЭС проводников ЭТ, диэлектриков и полупроводников, по осуществимости заявленного изобретения были приведены на фигурах 1-12, представленные в настоящем описании. Использовали ряд твердых тел (полимеры: ПЭТФ, ПММА, ПМ, НШ), металлы и композиты - алюминий, Fe + ПЭТФ), классические металлические ПЭТ из меди, серебра. Все измерения проводились при температуре Т≥293 К, что свидетельствовало о комнатно-температурных физических свойствах исследованных материалов. Измерялись прежде всего электрические сопротивления серии однотипных образцов различного масштаба. Каждая серия представляла статистическую выборку (или ансамбль) из не менее 100 измеренных образцов. Измерялись различные СЧФС и СЧФХ, включая электрические свойства и характеристики.
Данные измерений СЧФС и СЧФХ из каждого испытанного объема выборки располагали в порядке возрастания номера последовательности n. В частности, таким путем были получены интегральные функции распределения (разброса) электрического сопротивления R для образцов различного масштаба, т.е. зависимости величины сопротивления от номера последовательности n. Результаты экспериментов в виде интегральных функций распределения (разброса) ЭС R приведены на фиг. 1-3, 7. Данные по другим СЧФС и СЧФХ приведены на фиг. 4-6, 8-11.
При варьировании масштаба образцов медных проводников от  до  оказалось, что при толщине d=120 мкм и только рабочей длине образцов 3 мм, в объеме выборки из 100 испытанных образцов, по крайней мере, два образца оказывались с нулевым сопротивлением, (см. табл. 1-2). Это позволило значение 3 мм принять за поперечный размер ЛЗ. Толщина бездефектной ЛЗ, если судить по нулевой величине сопротивления и поперечному размеру минимального дефекта, составляющего 2,8 нм, может составить от 1 нм до 2,8 нм, но не более. В противном случае в нем возникнут дефекты структуры и соответственно электрическое сопротивление такой ЛЗ не будет иметь нулевое значение.
0
Нулевые значения ЭС R ЛЗ, найденных таким путем соответствуют самому низкому уровню сопротивления R. При мнократных повторных измерениях на большой статистике, результаты воспроизводились и повторялись.
Аналогичные результаты по снижению сопротивления электрическому току получаются при одновременном снижении масштаба и частоты тока на образец проводника. Примеры снижения сопротивления до нулевого (при температуре Т=293 К) при совместном влиянии масштаба, частоты тока и числа элементов в образце на электрическое сопротивление R показаны в экспериментах с медными проволоками, которые приведены на фиг. 3.
Одновременное воздействие масштаба V, частоты f и числа элементов N существенно увеличивает (усиливает) эффект снижения значений ЭС R. При одновременном снижении масштаба образца до 3 мм и увеличении числа составляющих элементов пучка до N=8, а частоты тока до f=10 kHz, в объеме выборки из из 100 испытанных образцов с нулевым или близким к нулю значением имеется около 40%, а если при этих же условиях повысить частоту до f=1 MHz, то число образцов с нулевым сопротивлением достигает до 100% (фиг. 3).
i
На фигурах 1-3 представлены результаты измерений ЭС R статистических выборок из не менее 100 образцов в каждой выборке проводников из медных проволок разной толщины и длины. Из них следует, что, чем меньше масштаб, тем больше разброс сопротивлений. В самых длинных (массивных) образцах разброс незначительный. При объединении в пучок из N элементов, в которых хоть один элемент имеет нулевое или близкое к нулю значение сопротивления, суммарное сопротивление всего пучка катастрофически падает до нуля.
0
с
с
2
2
2
Измерения токовых нагрузок при температурах Т≥293 К показали, что для образцов, соответствующих уровню сопротивления R, изготовленных из обычной проволоки из меди или серебра выдерживают огромные по величине токовые нагрузки. Если обычная массивная (объемная) медная проволока по справочным данным выдерживает без разогрева плотность силы, тока всего в 5-8 А/мм, то в наших экспериментах, приведенном на фигурах 1-3, плотность тока, проходящего через пучковые или одноэлементные (одиночные) образцы толщиной (диаметром) 50-120 мкм составляла 5000 А/мм для медного и 6000 А/мм для серебряных проволок. При этом, как в обычном сверхпроводящем состоянии разность потенциалов между любыми двумя точками такого проводника равнялась нулю. В этих опытах выделения тепла на испытуемых образцах, как показали измерения на тепловизорах, не было. Такие величины потенциала и уровни плотностей токов соответствуют высокотемпературным свехпроводникам ЭТ - так называемым ВТСП, критическая температура которых составляет Т<163 К. Это то, чего достигли исследователи 20 века. Только в нашем случае это наблюдается при обычных комнатных температурах или выше (Т≥293 К).
ЛЗ по своей природе являются низкоразмерныи системами, поскольку имея поперечный размер в 3000 мкм, они имеют толщину от 1 нм до 2,8 нм. Поэтому КТСП наблюдается в низкоразмерных системах: в тонких пленках, тонких волокнах (проволоках), нанокластерах. Кроме того, КТСП является динамическим явлением. Наблюдается она при прохождении ЭТ через ЛЗ, обнаруживаемые статистическими методами, при варьировании масштаба проводников, или в пучках тонких проволок при варьировании числа составляющих элементов пучка N. Поэтому наглядная демонстрация этого явления обычными способами невозможна или крайне затруднительна.
Например, с КТСП невозможно наглядно продемонстрировать эффект идеального диамагнетизма.
cn
Наш демонстрационный эксперимент был основан на следующих соображениях. При протекании тока через проводник в нем выделяется Джоулево тепло из-за электрического сопротивления. При некотором определенном значении плотности тока j выделившегося тепла достаточно для расплавления проводника.
cn
s
cn
s
cn
Однако, поскольку наш проводник является сверхпроводником, то он не нагревается при протекании тока и плотность тока может быть существенно больше j, т.е. j>>j. Таким образом, неравенство j>>j может выполняться только для сверхпроводников Поскольку эксперимент проводится при комнатной температуре, то сверхпроводящий образец в данном случае является комнатно-температурным сверхпроводником.
cn
s
cn
n
2
3
2
Для нормального (несверхпроводящего) объемного медного проводника j≈5-8 А/мм. В нашем эксперименте j/j≈10 (3000-6000 A/mm). Заметим также, что образец S не нагревается в процессе проведения эксперимента, в отличие от резистора R, нагревающегося до бела и сгорающего в итоге. Это также указывает на то, что образец S имеет комнатно-температурные сверхпроводящие свойства.
При достаточно большом увеличении токовой нагрузки на обычные образцы ПЭТ при фиксированном значении температуры, масштаба и частоты сопротивление материала электрическому току также катастрофически падает и снижается до нуля, т.е. проводник становится сверхпроводящим. Однако этот эффект сверхпроводимости из-за дороговизны в настоящий момент практически не может найти область своего применения. В самом деле, из закона Ома следует, что сила тока на участке цепи прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна электрическому сопротивлению данного участка цепи, что записывается в виде: I=U/R.
Во всех наших измерениях напряжение также, как и температуру, оставляли постоянной (U=const). Увеличивали только величину приложенной токовой нагрузки I на образец проводника. При увеличении приложенной нагрузки ЭС образца становится нулевым. Это же самое следует из этого соотношения: при стремлении тока к бесконечно большой величине I→∞, сопротивление стремится к нулю R→0, т.е. образец становится сверхпроводниковым. Однако, в практических целях этот эффект непригоден ввиду того, что на проводник надо подавать большие токи, что экономически нецелесообразно.
В соответствии с принципом ТВЭ (фиг. 3) видно, что с увеличением частоты тока f сопротивление медных проводников катастрофически снижается. Особенно эффект падения сопротивления до нуля наблюдается отчетливо при одновременном увеличении числа элементов в пучке N и воздействии частоты f.
Вернемся снова к обсуждению данных фиг. 1-3. Как видно, для самых маленьких по рабочей длине проволок (или образцов с малым масштабом) наблюдается огромный разброс сопротивления: от нулевого значения или значения близкого к нулю, до как угодно большого, соответствующего обычным справочным данным. Бездефектные образцы в проводнике дают в разбросе (распределении) сопротивления как угодно малые, нулевые значения, а дефектные зоны дадут как угодно большие значения сопротивления.
В массивных проводниках наличие сверхпроводниковых локальных зон не сказывается (не заметно) потому, что они замаскированы наличием зон с грубыми дефектами и разрознены. В силу этого они в электрической цепи не участвуют. Для того, чтобы они были заметными необходимо снизить их масштаб до поперечного размера бездефектной зоны и включить их в электрическую цепь между противоположными токовыми электродами, что и было показано выше на фиг. 2 в примере нахождения поперечного размера бездефектного кластера.
Однако, если снижать рабочую длину образца до нуля, то это приведет к падению потенциала и сопротивления всего проводника до нуля. При снижении размера системы (рабочей длины образца-проводника) до критических размеров, соответствующему поперечному размеру бездефектной зоны или длине свободного пробега электрического заряда, в течение времени между двумя последовательными столкновениями возникает бесстолкновительный или режим баллистического транспорта (фиг. 2).
Такой режим является бездиссипативным и аналогичным сверхпроводящему состоянию. Также как в сверхпроводящем состоянии в режиме баллистического транспорта разность потенциалов между любыми двумя точками баллистического проводника равна нулю, и падение напряжения, обеспечиваемого внешними источниками, скачком меняется на электродах. Это позволяет пропускать через баллистический проводник значительные токи.
с
c
c
c
В наноразмерных структурах на баллистический транспорт накладывается, кроме того, размерное квантование. По аналогии с критической температурой перехода проводника в сверхпроводящее состояние Т, введем понятие критического масштаба V, при котором материал проводника становится бездефектным и сверхпроводящим. Эти же замечания относятся и к критическому току J и частоте F, при которой материал проводника становится сверхпроводящим.
Предлагаемый способ изготовления пучковых проводников ЭТ с предельными СЧФС и СЧФХ основан на структурно-статистическом кинетическом подходе и представлениях о масштабном или размерном эффекте структурно-чувствительных физических свойств и характеристик тел, объединившие три современные технологические концепции: субмикронную (или нанотехнологию), микронную технологию и макротехнологию.
Каждой из составляющих технологий соответствуют (см. раздел 3.3) три типа размерностей дефектов в образцах, условно разделенные на три типа: 1 - субмикро- или нанотрещины (1-99 нм); 2 - микротрещины (100 - 1000 нм); 3 - макротрещины (1000 - 10000 нм и более). В соответствии с такой классификацией твердые тела по масштабному фактору могут находиться в трех физических состояниях: низкомодовое, всокомодовое и сверхмодовое.
Эти три физических состояния являются методологической основой и предметом пучковой технологии.
Под пучком (стопой) понимается многоэлементная структура, образованная из числа N→∞ (где N - целое число) однотипных отдельных индивидуальных составляющих элементов, имеющих одинаковое функциональное назначение, стремящихся своим размером  к бесконечно малой величине Δ, но так, чтобы величина V⋅N оставалась конечной, равной заданному объему многоэлементной структуры, расположенных параллельно друг с другом (или друг над другом) на поверхности (крае) и в объеме (или промежутке) и объединенных противоположными контактами из числа K≥2.
Составляющие элементы пучка (многоэлементной структуры) - это волокна, пленки, проволоки, гетеропереходы, переходы Шоттки, pn переходы с областями проводимости в полупроводниках и т.д. То есть может быть использована любая тонкая материальная субстанция, имеющая ограниченный размер по толщине d и достаточную протяженность по ширине h и длине l.
Волокно - линейное длинномерное протяженное тело с малым поперечным размером (толщиной) по сравнению с длиной. Волокна - это двумерные тела, имеющие два измерения: только толщину d и длину l (протяженность).
Пленка - плоское тело, имеющее малый поперечный размер (т.е. толщину) и большую площадь поверхности по ширине и протяженности (длине). Пленки - это трехмерные тела, имеющие, только толщину d, ширину h и протяженность l (длину).
Если пучок или стопа составлена из N монопленок, то такая многоэлементная структура имеет плоскопараллельное расположение элементов-пленок, имеющих поверхностные (краевые) и промежуточные (внутри объемные) слои. А если пучок или стопа составлена объединением N моноволокон, то такая многоэлементная структура имеет линейно-параллельное расположение элементов-волокон, находящихся на поверхности (крае) и в объеме (промежутке).
Многоэлементные структуры и изделия, выполненные параллельным объединением составляющих элементов (волокон, пленок) между двумя (или более противоположными контактами названы пучковыми.
Это пучковый резистор, полученный параллельным объединением, например, из числа N>>1 резистивных пленочных или волоконных элементов.
Это пучковый полупроводниковый прибор, полученный объединением в пучок из N>> 1, или N>>10, или 10000 или более точечных р-n переходов между противоположными контактами.
Это может быть пучковый транзистор, полученный объединением N>>10000 или более точечных р-n переходов в пучок на коллекторе, эмиттере, базе в биполярных транзисторах и стоке, истоке, затворе (в полевых транзисторах), подчеркивая этим самым способ их изготовления.
Это может быть пучковый диэлектрик, полученный, например, объединением N>1 тонких или сверхтонких диэлектрических пленок между противоположными контактами из числа K≥2.
Это материалы для защиты от ударных (механических, электронных, лазерных) или агрессивных внешних воздействий, полученные объединением в пучок N>1 тонких и сверхтонких пленок между противоположными контактами из числа K≥2.
Это может быть сверхпротяженный сверхпрочный канат или трос, полученный свивкой тонких или сверхтонких проволок с числом N>1 с шагом свивки длиноц менее 60 мм.
Это может быть пучковый проводник электрического тока, полученный объединением N≥1, предпочтительно, N>>1 тонких или сверхтонких токопроводящих волокон (проволок), пленок между противоположными контактами из числа K>2.
И наконец, это могут быть любые материалы или устройства, полученные объединением в пучок N>1 тонких или сверхтонких составляющих элементов между противоположными контактами из числа K>2. Эти материалы и устройства, выполненные объединением тонких элементов в пучок, обладают предельными значениями всех СЧФС и СЧФХ. Это независимо от того, какие будут на практике использоваться физические свойства или характеристики.
Составляющие элементы в пучке по функциональному назначению имеют органическое или неорганическое происхождение, могут быть металлами, металлоидами или полимерами, диэлектриками или проводниками, или полупроводниками, металополимерами или любой другой материальной субстанцией. При этом основополагающим и фундаментальным для выполнения пучкового материала является требование большого количества составляющих элементов пучка (N→∞) и их малый размер, вплоть до микроразмеров, а в идеальном случае составляющие элементы должны быть наноразмерными, т.е. должны быть от 1 нм до 100 нм.
Признаки однотипный и отдельный (вместе с требованием множества N→∞ и малого размера толщины волокон или пленок) являются основополагающими и фундаментальными, без которых эффект сверхвысоких свойств и значений физических характеристик в пучке не реализуется.
Под однотипными элементами следует понимать такие, которые получены из одного и того же вида, и строения материи, одинаковым способом, имеющие одинаковые геометрические размеры, массу, форму и конфигурацию, а также одинаковые структурно-чувствительные физические (механические, электромагнитные и др.) характеристики и свойства.
Под признаком «отдельный» или отделенный друг от друга, не связанный друг с другом подразумевают наличие границы между элементами и его обособленность. Отделителем может быть воздух, нейтральная среда, диэлектрик, полимерная или металлическая пленка, фольга и т.д.
i
i
i
i
Дискретные уровни физических свойств и характеристик - это выделенные значения физических свойств и характеристик в виде максимумов на их дифференциальных функциях и в виде горизонтальных площадок на их интегральных функциях распределений. Например, уровни прочности σ (см. фиг. 8, кривая 2), уровни долговечности (см. фиг. 3) или уровень электрического сопротивления R (см. фиг. 9, кривая 1), уровни диссипации энергии E, уровни напряжения ионизации U и т.д.
НМС - физическое состояние тел по масштабному фактору, в котором находятся (пребывают) массивные тела (волокна, пленки толщиной более 60-70 мкм с размерностью дефектов 1000-10000 нм и более), имеющее низкие значения СЧФС и СЧФХ с нормальной унимодальной функцией распределения характеристик.
ВМС - физическое состояние тел по масштабному фактору, в котором находятся (пребывают) тонкие тела (волокна, пленки толщиной менее 50-60 мкм с размерностью дефектов 100-1000 нм), имеющее высокие средние значения СЧФС и СЧФХ с полимодальной функцией распределения характеристик.
CMC - физическое состояние тел по масштабному фактору, в котором находятся (пребывают) пучки из тонких тел (волокна, пленки толщиной менее 50-60 мкм с размерностью дефектов 100-1000 нм), имеющие сверхвысокие СЧФС и СЧФХ с унимодальной узкосимметричной функцией распределения характеристик и свойств;
- это также сверхтонкие тела (волокна и пленки толщиной 1-100 нм с размерностью дефектов 2,8-90 нм), имеющее сверхвысокие СЧФС и СЧФХ с унимодальной узкосимметричной функцией распределения характеристик.
ПТ - это физическая модификация материалов и свойств без перестройки химического строения тел с целью получения изделий с заданными низкими, высокими, или сверхвысокими физическими свойствами и характеристиками.
Суть пучковой технологии материалов и устройств заключается в том, что материал или устройство выполняются из числа N→∞ однотипных отдельных, не связанных между собой индивидуальных составляющих элементов (волокон, проволок, пленок, фольги, переходов и т.п.) размер (толщина) которых стремится к бесконечно малой величине Δ, объединенных в пучок или стопу, причем, каждый из составляющих элементов имеет одинаковое функциональное назначение и заключен между противоположными контактами из числа K≥2.
В основе создания пучковой технологии материалов и устройств со сверхвысокими физическими свойствами и характеристиками лежат простые, но фундаментальные природные закономерности, свойства и явления.
Это прежде всего свойства и явления, связанные со снижением масштаба образцов до микро- и нано- (т.е. субмикронных) размеров и увеличением масштаба в пучке за счет увеличения числа микро- и наносоставляющих отдельных однотипных моноэлементов.
Пучковая технология, состоит из трех составных частей: субмикро- (или нано-), микро- и макротехнологии. Представляет из себя физический, а не химический способ модификации структуры материалов и устройств без изменения их дискретноти и гетерогенности. Пучковые технологии относятся к масштабам выше 1 нм, т.е. к чисто физическим процессам.
Физическая природа масштабного эффекта была раскрыта еще в первой половине 20 века, однако, до недавнего времени это связывали в основном с механической прочностью твердых тел больших и малых объемов и присутствием в них дефектов различной степени опасности.
Систематические экспериментальные и теоретические исследования авторов с сотр. с 70-х годов прошлого столетия позволили установить универсальность структурной иерархии твердых тел и полимеров. Открыты были явления дискретности физических свойств и характеристик. Это позволило в свою очередь установить, что масштабный эффект механической прочности является всего лишь частным случаем проявления более общих природных закономерностей - феноменов одноэлементного и многоэлементного масштабного эффектов физических свойств и характеристик физических объектов, связанных с дискретностью строения материи, воспетых еще античным философом Лукрецием в трактате «О природе вещей».
В одноэлементном масштабном или размерном эффекте (см. вышеизложенные разделы) изменение масштаба происходит за счет изменения геометрических размеров одноэлементного образца; в многоэлементном масштабном эффекте изменение масштаба происходит за счет изменения числа N тонких элементов в стопе или пучке одноэлементных (одиночных) образцов.
Явление одноэлементного масштабного фактора в наиболее общем виде - это эффект необычайно высокого роста значений СЧФХ и СЧФС тел при снижении их геометрических размеров, вплоть до микро- и наноразмеров. Это явление обусловлено тем, что в массивных по объему образцах существует дискретный спектр или набор дефектов структуры различной степени опасности: больших и малых по размеру, в которых малые по размеру дефекты замаскированы присутствием больших. Поэтому массивные образцы имеют низкие физические свойства и характеристики. В малых по объему образцах могут быть только малые по размеру дефекты, которые находятся на высоких уровнях. Поэтому изначально тонкие пленки и волокна имеют высокие физические свойства и характеристики.
Явление многоэлементного масштабного фактора (или эффекта пучка или троса) - это эффект сверхвысокого роста значений структурно-чувствительных свойств и характеристик физических объектов, возникающий при объединении в пучок одиночных однотипных элементов, имеющих субмикро- (или нано-) и микроразмерность, и уже достигших высоких значений физических характеристик. В обоих эффектах с ростом значений структурно-чувствительных свойств и характеристик физических объектов их химическая структура остается без изменения. При этом, чем будут меньше линейные размеры одноэлементных составляющих, тем больше будет эффект усиления в пучке или стопе. Идеальным будет случай, когда одноэлементные составляющие пучка будут иметь наноразмерный масштаб. В наноразмерном элементе дефекты с большими размерами не могут поместиться. Потому их там нет. С точки зрения эффекта пучка в пучковой технологии нет требования к чистоте составляющего элемента. Каким бы не был по чистоте материал, пучковая технология, для своей реализации, требует отдельность, однотипность, геометрически малый микро-, предпочтительно, наноразмер (в которых нет больших дефектов или включений) составляющих элементов и число составляющих элементов N→∞. Это замечание имеет существенное значение. Только на стоимости материала изделий можно получить значительную экономическую выгоду, поскольку, чем чище исходный материал для изделия, тем он дороже. Например, стоимость кремния от чистоты имеет экспоненциальную зависимость. К примеру, не очищенный технический кремний на порядок и более дешевле чистого кремния.
Для пучковой технологии необходима реализация всех трех составляющих - сверхмодового, высокомодового и низкомодового (нано-, микро- и макро). Особенно важна микро- и субмикронная или наноразмерная составляющая отдельного однотипного элемента, которые формируют высокие значения физических характеристик. В связи с этим надо особо подчеркнуть важность правильной упаковки наноразмерных или микроразмерных элементов в макроупаковку реального изделия. Некорректная упаковка элементов, пусть даже наноразмерных, в макроизделие не даст желаемого эффекта сверхвысокого увеличения прочности и др. физических характеристик и свойств.
Многолетние систематические и детальные исследования показали, что для получения эффекта сверхвысокого увеличения свойств и характеристик в макроизделиях должна быть пучковая упаковка большого множества, в идеале наноразмерных, отдельных индивидуальных и однотипных элементов.
Для реализации эффекта пучка, в соответствии с математическим законом больших чисел, число однотипных элементов N в пучке должно стремиться к бесконечно большой величине, а его размер - к бесконечно малому числу. Условию бесконечно малой величины соответствует наноразмерный однотипный отдельный элемент. В полупроводниковой технологии этому условию соответствуют точечные р-n переходы. Снижение толщины составляющих элементов-пленок (или волокон) в пучке до микро-, субмикроразмеров (или наноразмеров) при стремлении их числа N→∞ (при отдельности и однотипности индивидуальных тонких составляющих элементов) приводит к сверхвысокому увеличению физических свойств и характеристик. В этом суть эффекта пучка.
ПРИМЕР ИЗОБРЕТЕНИЯ
Проводник электрического тока с предельными СЧФС и СЧФХ, обладающий сверхпроводящими свойствами выполняется следующим образом.
При этом все методы изготовления пучковых проводников доступны и широко распространены в настоящее время в промышленности. Наиболее эффективным способом может явиться печатание пучковых плоских многослойных (многоэлементных) проводников, с одновременным печатанием диэлектрических прослоек. Для печати на 3D принтере нужна последовательность следующих действий:
1. По формуле, который описан выше, рассчитывается оптимальное число составляющих элементов пучка для того или иного материала для достижения предельных значений СЧФС и СЧФХ,
2) Готовится программа для распечатывания пучковой токопроводящей цепи определенной конфигурации, например, в виде полосок толщиной, например, менее 100 нм (d<100 нм) и числом N согласно расчетам,
3) Готовится чернило из того или иного проводникового материала (медь, серебро, алюминий и т.д.) и диэлектрика (например, можно использовать полиимидный лак) для нанесения между слоями токопроводящих пленок.
2. Готовится бездефектная пленочная подложка из диэлектрического материала, например, из ориентированной вдоль направления нанесения чернил, чтобы это было по движению электронов, по методике, описанной в главе 15 источника [15] для нанесения токопроводящих чернил.
2
Метод 3D принтинга удобен и технологичен тем, что с его помощью можно изготовить (распечатать) гибкие длинномерные токопроводящие цепи: сверхпроводниковые кабеля, катушки индуктивности, аккумуляторы (накопители энергии), обмотки двигателей, генераторов, трансформаторов, фотоэлектрических преобразователей, сверхпроводниковых диодов, транзисторов и т.д. Пример, проводника электрического тока приведен на фиг. 13, где приведена фотография пучкового серебряного проводника со сверхпроводящими свойствами. Через такие токопроводящие цепи проходят токи плотностью до 6000 А/мм.
В заключении следует отметить, что вышеприведенный пример представлен лишь для лучшего понимания сущности изобретения, а также его преимуществ и ни в коей мере не охватывают все возможные частные случаи его осуществления.
Можно воспользоваться большим множеством методов наращивания в пучки тонких элементов-слоев токопроводящего материала, имеющихся в промышленности, а также изготовлением множества пучковых изделий, конструкций:
1) вакуумное распыление и наращивание составляющих слоев-элементов пучка,
2) эпитаксиальное наращивание слоев-элементов пучка,
3. Вытяжка бездефектных металлических токопроводящих волокон (проволок) на фильерах специальной конструкции для изготовления бездефектных длинномерных витых изделий с линейно-точечным касанием,
4. Изготовление на 3D принтере пучковых сверхпроводниковых фотоэлектритческих преобразователей, диодов, транзисторов и т.д.
Специалисту в данной области техники ясно, что возможны и другие конкретные варианты его воплощения, например, в сверхъемких накопителях энергии (или аккумуляторах тока), с полимерными проводниками, а также использования, в том числе в различных токопроводящих цепях в электрических схемах, в кабелях для передачи электроэнергии, в колебательных контурах, катушках индуктивности, в обмотках двигателей, трансформаторов, генераторах и т.д. Таким образом, все эти варианты будут находиться в рамках объема притязаний, определяемого исключительно прилагаемой формулой.
Результаты экспериментальных статистических измерений СЧФС и СЧФХ по доказательству осуществимости заявленного изобретения представлены в таблицах 1 и 2, на фигурах 1-13.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
[1] Bardeen J., Cooper L.N., and Schrieffer J.R., Phys. Rev. 108, 1175 (1957).
[2] Элиашберг Г.М., ЖЭТФ 38, 966 (1960); 39, 1437 (1960).
[3] Bednorz J.G. and  K.A., Z. Phys. B: Condens. Matter 64, 189 (1986).
[4] Kamihara Y., Hiramatsu H., Hirano M., Kawamura R., Yanagi H., Kamiya Т., and Hosono Н.,J. Am. Chem. Soc. 128, 10012 (2006); J. Am. Chem. Soc. 130, 3296 (2008).
[5] [Aimi T. and Imada M., J. Phys. Soc. Jpn. 76, 113708 (2007)].
[6] Azzoni C.B., Paravicini G.B., Samoggia G, et al. Electrical Instability in CuO1-x: Possible Correlations with the CuO-based High Temperature Superconductors. // Z. Naturforsch. 1990. V.45 а. Р/ 790-794.
[7] Schonberger R., OttoH.H., Brunner В., Renk K.F. Evidence for Filamentary Superconductivity up to 220 K in Oriented Multiphase Y-Ba-CuO Films //Phisica C. 1991. V. 173. P. 159-162.
[8] Большой энциклопедический словарь Политехнический. Москва: изд. «Большая Российская энциклопедия», 1998. С. 204-205.
[9] Патент RU 2131157 С1, 27.05.1999.
[10] Гинзбург В.Л. / Сверхпроводимость: позавчера, вчера, сегодня, завтра. // Успехи физических наук. 2000, том 170, №6. С. 619-630.
[11] Kresin V.Z., Ovchinnikov Yu.N., Phys. Rev. В 74, 024514 (2006). Ralph D.C., Black C.T., Tinkham M., Phys. Rev. Lett. 74, 3241 (1995); 78, 4087 (1997)].
[12] Herranz G., Basletic M., Bibes M., Carretero C., Tafra E., Jacquet E., Bouzehouane K., Deranlot C., Hamzic A., Broto J.-M., Barthelemy A., Fert A., Phys. Rev. Lett. 98, 216803 (2007).
[13] (Nikolaev S.V., Yugay K.N., JETP 102, 327 (2006).
[14] Патент RU 2336585 C1). Проводник электрического тока и способ его изготовления.
[15] Карташов Э.М., Цой Б. и Шевелев В.В. Разрушение пленок и волокон. Структурно-статистические аспекты. Изд. 2, испр. и доп. Москва: URSS. 2015.784 с.
[16] Б. Цой, Карташов Э.М., Шевелев В.В. Явление дискретности физических характеристик полимеров и твердых тел. Москва. Диплом №203 на открытие от 18.04.2002 г., рег. №239.
[17] Цой Б. Закономерность изменения физических характеристик одноэлементных структур полимеров и твердых тел при изменении масштаба (эффект Б. Цоя). Москва. Диплом на открытие №247 от 02 марта 2004 г. Рег. №293.
[18] Зубарев Д.Н. Неравновесная статистическая термодинамика. М.: Наука, 1971. - 416 с.
[19] Шевелев В.В., Карташов Э.М. Некоторые статистические аспекты хрупкого разрушения и долговечности полимеров. Материалы с трещинами. // Высокомолекулярные соединения. 1997. т. Б, 39, №2, с. 371-381.
[20] Регель В.Р., Слуцкер А.И., Томашевский Э.Е. // Кинетическая природа прочности твердых тел. Москва: изд. Наука, 1974. 560 с.
[21] Карташов Э.М., Цой Б., Шевелев В.В. Структурно-статистическая кинетика разрушения полимеров. Москва: Химия, 2002. 736 с.
[22] Yugay K.N. On the possible Nature of "Room-Temperature Superconductivity". Russia-Korea Science Conference, Present collected articles, Ekaterinburg, Jul. 4-5, 2014.
[23] Бартенев Г.М. // Сверхпрочные высокопрочные неорганические стекла. М.: Строй-издат, 1974. 240 с.
[24] Цой Б. Дискретные уровни прочности и долговечности полимерных пленок и волокон (динамика, прогноз // Дисс. докт. хим. наук, М., 2000 г. - 368 с.