Međunarodni tim istraživača predvođen znanstvenicima s Prirodoslovno-matematičkog fakulteta Sveučilišta u Zagrebu (PMF) osmislili su, sintetizirali i ispitali potpuno novi materijal korištenjem najnaprednijih metoda fizike kondenzirane tvari. Riječ je o kristalu neuređene strukture koji, unatoč potpunom neredu u rasporedu magnetskih atoma, pokazuje potpuni magnetski i orbitalni sklad. Ovo svojstvo moglo bi imati ključnu ulogu u razvoju novih generacija magnetskih materijala i tehnologija budućnosti.
Novo otkriće potvrđeno je analizom rezultata dobivenih uz pomoć nuklearnog reaktora kao izvoru neutronskog snopa i objavljeno u uglednom znanstvenom časopisu Advanced Functional Materials. Ono predstavlja važan iskorak jer ruši dugogodišnje paradigme u fizici materijala i pokazuje da magnetski uređeni materijali, a vjerojatno i supravodiči, ne moraju nužno imati potpuno uređenu kristalnu strukturu. Cijelo su istraživanje idejno začeli znanstvenici s PMF-a i zatim ga proveli u suradnji s međunarodnim timom suradnika iz Austrije, Francuske, Poljske, Švicarske, Singapura i SAD-a.
Supravodiči zauzimaju posebno mjesto među naprednim materijalima jer vode električnu struju bez ikakvog otpora – struja kroz njih teče bez gubitaka – što je jednako neobična tvrdnja onoj da neki objekt klizi bez trenja. Kod običnih vodiča, poput bakrene žice, dio energije se tijekom vođenja struje uvijek izgubi u obliku topline. Kod supravodiča toga nema.
Možda zvuči kao znanstvena fantastika, ali supravodiči već imaju brojne primjene, samo što za sada svojstvo supravodljivosti posjeduju isključivo na vrlo niskim temperaturama. Znanstvenici diljem svijeta zato traže i pokušavaju razumjeti visoko-temperaturne supravodiče, odnosno materijale koji bi bili supravodljivi i na višim, idealno sobnim temperaturama. Takav materijal mogao bi potpuno promijeniti buduće tehnologije, od superračunala i medicinske dijagnostike do vlakova koji lebde iznad tračnica.
Kristal koji spaja ono što se dosad smatralo nespojivim
U žarištu interesa znanstvenika s PMF-a našao se murunskit – kristal koji sadrži kalij, bakar, željezo i sumpor. Iako murunskit u prirodi postoji kao mineral, nalazi se isključivo u obliku sitnih natruha unutar stijena. Prvi je put otkriven u Murunskom masivu u Sibiru, po kojem je i dobio ime.
Međutim, u ovom istraživanju, znanstvenici su u laboratoriju razvili metodu za sintezu velikih, visokokvalitetnih monokristala polazeći od osnovnih kemijskih elemenata. Takvi monokristali pogodni su za niz naprednih eksperimentalnih tehnika. Zbog svoje slojevite, listićaste strukture, murunskit se mehaničkim kalanjem lako može istanjiti do debljine od svega nekoliko atomskih slojeva, što ga čini posebno zanimljivim za primjene u razvoju kvantnih tehnologija.
Iako nije supravodič, ovaj kristal pokazuje osobine koje ga čine bliskim rođakom dviju dobro poznatih, ali posve različitih klasa supravodiča: kuprata (keramičkih materijala bazirani na bakru) i pniktida (metalnih materijala bazirani na željezu).
Prof. dr. sc. Neven Barišić objašnjava: Murunskit je neka vrsta 'nedostajuće karike'. Ima strukturu nalik pniktidima, ali elektronska svojstva koja podsjećaju na kuprate.
Znanstvenike je kod murunskita posebno iznenadila jedinstvena kombinacija reda i nereda. U njemu su atomi željeza i bakra raspoređeni potpuno nasumično, pri čemu atomi željeza imaju magnetska svojstva, a bakra, nemaju. No, kad se materijal ohladi na -176 °C, pojavljuje se magnetski red. Atomi željeza iznenada se počnu ponašati usklađeno, slično kao što se svi kompasi okreću prema sjeveru.
Kod većine materijala za takvo što treba postojati red atoma u kristalu, kaže prof. Barišić. Murunskit ga nema, ali magnetsko uređenje se ipak uspostavlja.
Kad se nered pretvori u savršen timski rad
Dr. sc. Davor Tolj, trenutno poslijedoktorand na američkom Sveučilišta Johns Hopkins i prvi autor na radu, pojašnjava da se radi o posebnoj vrsti reda koji nastaje sam od sebe iz nereda: Iako nema jasnog rasporeda, male skupine magnetskih atoma se međusobno usklade i povežu. Te skupine se dalje povezuju u veće i na kraju cijeli kristal pokazuje zajedničko magnetsko ponašanje.
Iako su nasumce razbacani u strukturi murunskita, magnetski atomi željeza počnu hlađenjem raditi zajedno te se skladno poslože i uzrokuju potpuno magnetsko i orbitalno uređenje materijala. To je kao da skupina ljudi bez prethodnog dogovora ipak završi radeći zajedno potpuno usklađeno, formirajući velike strukture.
Korak naprijed prema materijalima budućnosti
Ovo otkriće dokazuje da funkcionalni red, koji je svojstvo i naprednih magnetskih materijala i supravodiča, ne zahtijeva kristalni red. To mijenja mnoga očekivanja i vjerovanja u fizici materijala i otvara vrata stvaranju novih materijala otpornih na nesavršenosti u izradi i eksploataciji.
Cilj nam je stvoriti materijale koji će voditi struju bez gubitaka i bez potrebe za dubokim hlađenjem. Kad ih jednog dana i stvorimo, vjerojatno će više nalikovati murunskitu nego idealiziranim kristalima iz udžbenika, zaključuje prof. Barišić.
U svijetu znanosti o materijalima, gdje se red uvijek tražio u pravilnosti, murunskit nam pokazuje da ponekad treba zaviriti u nered, jer i tamo može ležati ključ budućih tehnologija.
