В результаті значного прогресу дослідники зі Сполучених Штатів виявили, що інтеграція графена в мідь може істотно знизити втрату електропровідності при високих температурах. Очікується, що це нововведення, вперше розроблене вченими Тихоокеанської північно-західної національної лабораторії Міністерства енергетики США, підвищить ефективність розподілу електроенергії в будинках, на підприємствах і потенційно підвищить ефективність двигунів електромобілів і промислового обладнання.
Матеріалознавець Сяо Лі тримає в руках зразки мідно-графенового дроту © Pacific Northwest National Laboratory
Мідь відома своєю чудовою електропровідністю, поряд з іншими металами, такими як срібло, золото та алюміній. Однак ключовою проблемою металів є те, що їх електропровідність має тенденцію знижуватися при підвищених температурах через теплові коливання в їх кристалічній решітці. Це обмеження спонукало вчених вивчити способи поліпшення характеристик металів при високих температурах.
Одним з рішень стала розробка сплавів, які часто володіють чудовою міцністю, твердістю і термостійкістю в порівнянні з чистими металами. Однак сплави, як правило, не володіють достатньою електропровідністю. Прагнення підвищити електропровідність сплавів, особливо при більш високих температурах, було давньою метою матеріалознавства.
Прорив у Тихоокеанській північно-західній Національній лабораторії став значним кроком у цьому напрямку. Дослідники опублікували свої висновки в журналі Materials & Design, продемонструвавши, що, додавши лише 18 частин на мільйон графену до мідного сплаву C11000, вони знизили його температурний коефіцієнт електричного опору майже на 11 відсотків. Це додавання не вплинуло на електропровідність сплаву навіть при підвищених температурах.
Графен, який є одним шаром атомів вуглецю, розташованих у гексагональній решітці, відомий своїми чудовими властивостями, включаючи міцність і провідність. У цьому дослідженні покрита графеном мідна фольга товщиною 20-25 мкм була використана як вихідний матеріал у формувальній установці для виготовлення мідно-графенового дроту.
За словами Кірті Каппагантули, одного з авторів дослідження, це вдосконалення може збільшити електропровідність мідної обмотки в двигунах електромобілів на 11 відсотків, що призведе до збільшення ефективності двигуна на один відсоток.
Потенційні області застосування цього мідно-графенового композиту великі. У електродвигунах і генераторах, де мідна обмотка має вирішальне значення, цей новий матеріал може забезпечити роботу при більш високих температурах без шкоди для електропровідності. Це вдосконалення особливо актуально, оскільки сучасні двигуни розраховані на роботу в певних температурних діапазонах, а перегрів призводить до значного зниження електропровідності.
Крім того, поліпшена електропровідність цього композиту може змінити правила гри в електропроводці житлових і комерційних приміщень. У міру зростання щільності міст і попиту на електроенергію більш ефективний мідно-графеновий дріт може сприяти значній економії енергії.
Команда подала патент на свій мідно-графеновий матеріал і планує подальші випробування для оцінки його міцності, корозійної стійкості та зносостійкості – необхідних властивостей для промислового застосування. Ця інновація не тільки представляє стрибок уперед у матеріалознавстві, але й обіцяє створення більш ефективних, стійких та надійних електричних систем у різних секторах.