TREF ZE JOHANNESEM GEORGIEM BEDNORZEM - SPOTKANIE Z JOHANNESEM GEORGIEM BEDNORZEM

st. 14 2019

SPOTKANIE Z JOHANNESEM GEORGIEM BEDNORZEM

 

13 stycznia w ramach III Śląskiego Festiwalu Nauki odbyło się spotkanie z Johannesem Georgiem BEDNORZEM – laureatem Nagrody Nobla z dziedziny fizyki w 1987 roku. Poniżej prezentujemy zapis rozmowy z naukowcem, którą przeprowadził Łukasz LAMŻA, o nadprzewodnictwie wysokotemperaturowym w tlenkach metali, za odkrycie którego otrzymał to najbardziej  prestiżowe wyróżnienie w świecie nauki. Na pewno wielu Was się zdziwi dlaczego na stronie naszego stowarzyszenia taka tematyka, a trzeba przyznać – bardzo trudna, bo z zakresu fizyki i chemii. Otóż Johannes Georg BEDNORZ, urodzony 16 maja 1950 roku w niemieckim Neuenkirchen, ma …. śląskie korzenie. Jego rodzice – Anton i Elisabeth, pochodzą ze Śląska. Niestety nie znaleźliśmy więcej informacji na ten temat. Obecnie naukowiec jest pracownikiem Politechniki Federalnej w Zurychu. W kwietniu 2007 roku odebrał doktorat honoris causa Uniwersytetu Śląskiego w Katowicach.

 

- Czym jest nadprzewodnictwo i dlaczego jest takie wyjątkowe?

Johannes BEDNORZ – To jest zjawisko na pewno nienowe. Odkryto je ponad 100 lat temu. To jest zupełnie nowy stan ciał stałych, kiedy materiał schłodzony do ekstremalnie niskich temperatur traci oporność. Dla metali oporność jest widoczna, gdy przepuszczamy prąd przez przewodnik metaliczny. Starsi ludzie znają jeszcze te tradycyjne żarówki i to jest bardzo dobry przykład, gdzie widzimy oporność metali. Jeśli przez materiał z opornością przepuścimy prąd elektryczny to on się rozgrzeje. Tak to też wyglądało w tradycyjnej żarówce. Efektem było jej świecenie. Gdybyśmy mieli drut z nadprzewodnością w takiej żarówce to ona nigdy by się nie rozświetliła, więc ten stan materii, czyli oporność jest użytecznym zjawiskiem. Natomiast jeśli chcemy transportować energię punktu A do punktu B to w tym momencie pożądane byłoby pozbycie się oporności w celu uniknięcia strat przy tym transporcie.

- Wspomniał Pan, że w bardzo niskich temperaturach opór może spaść do 0 st. C. Po pierwsze – ktoś mógłby podejrzewać, że opór robi się bardzo niski. Czy rzeczywiście ten opór jest taki niski i czy to jest naprawdę 0 st. C? Bo to jest sytuacja trochę podejrzana, że w przyrodzie temperatura czegoś spada do 0 st. C? Jak to jest możliwe? Po drugie – o jakich niskich temperaturach mówimy, bo będziemy musieli chyba wprowadzić skalę Kelwina (przyp. aut. za Wikipedia – w tej skali zero oznacza najniższą teoretycznie możliwą temperaturę, jaką może mieć ciało. 0 st. K jest równe temp -273,15 st. C) by mówić o tak niskich temperaturach?

J. B. – Jeżeli mówimy o oporności zerowej to ona nie jest bliska 0, tylko rzeczywiście zerowa. Jest bardzo ciekawy test, który może nam to wykazać. Odkrywca zjawiska nadprzewodnictwa Heike Kamerlingh Onnes  skonstruował magnes z nadprzewodnością, przez który przepuścił prąd elektryczny. Jeśli taki prąd zainicjujemy w takim pierścieniu, jeżeli mielibyśmy zerową oporność, to będzie krążył bez końca. Natomiast z kolei prąd wywołuje pole magnetyczne i można je zmierzyć. Stworzyliśmy taki cały magnes i dzięki temu możemy zmierzyć czy to pole magnetyczne będzie zmniejszało, czy też będzie bez zmian. W przypadku oporności zerowej zaistnieje pole magnetyczne, które nigdy nie będzie się zmieniało. Druga część pytania dotyczy temperatury. Odkrył to holenderski fizyk Heike Kamerlingh Onnes (przyp. aut. za Wikipedia -  laureat Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki w 1913 roku za badania właściwości substancji w najniższych temperaturach i skroplenie helu), który skroplił hel. Skrapla się on przy temperaturze 256 st. C, czyli schładzał metale do niskiej temperatury 4 st. K. W następnych dekadach ludzie próbowali znaleźć nowe materiały, które by również miały tego typu właściwości, ale przy wyższych temperaturach  przejścia ze stanu normalnej oporności do oporności zerowej. Do 1986 roku, czyli w ciągu 75 lat, udało się zwiększyć temperaturę krytyczną z 4 st. K do 23 st. K i to chyba została osiągnięta maksymalna temperatura nadprzewodnictwa.

- Dodajmy, że nadprzewodnictwo nie jest super rzadkim zjawiskiem. Jeśli się nie mylę to 15-20 pierwiastków w stanie czystym schłodzonych do odpowiedniej temperatury wykazuje rzeczywiście nadprzewodnictwo, również wielka ilość stopów, czyli jeśli weźmie się jakiś materiał, jakiś metal, bardzo silnie się go schłodzi to jest dosyć duża szansa, że nadprzewodnictwo pojawi się tylko potrzebne są bardzo niskie temperatury/ Czy można powiedzieć, że jest to w miarę częste zjawisko, jeśli odpowiednio schłodzi się materiał?

J. B. – Nie nazwałbym tego częstym zjawiskiem. Oczywiście jest pewna liczba metali, intermetalicznych związków, gdzie są szanse, że to się pojawia. Natomiast w ostatnich dwóch dekadach niewiele było nowych materiałów, które można by przełożyć na aplikacje możliwe do wykorzystania, szczególnie w dziedzinie medycyny. Jeśli chodzi o podniesienie temperatury krytycznej od roku 1975 to właściwie nie było zmian. To jest nadal 23 st. K.

- Przez sześćdziesiąt lat, poznano wiele materiałów, które wykazują nadprzewodnictwo, ale to wszystko udawało się doprowadzić do 20 st. K, czyli bardzo niepraktycznej temperatury. W latach osiemdziesiątych XX wieku pojawił się nowy materiał, oparty na tlenku miedzi, który w ciągu kilku lat udało się doprowadzić do nadprzewodnictwa w trzydziestu kilku st. K. To stanowi szansę na nadprzewodnictwo wysokich temperatur. Czy w tym przypadku trzydzieści kilka stopni K, czyli -240 st. C to jest już wysoka temperatura? To też rozpoczęło lawinę dalszych odkryć i w ciągu kilku miesięcy od pojawienia się Pana artykułu, Panie profesorze, bardzo podobne materiały „dobiły” do 70 st. K. Jaka była historia tego przełomu? Jak to się stało, że zupełnie nowy typ materiału nagle wykazał w takich wysokich temperaturach nadprzewodnictwo? 

J. B. Najpierw powiem o badaniu, które robiłem ja i moi koledzy. Czasami trzeba pomysłu i wkładu ludzi spoza danej dziedziny, niespecjalistów. Ja i mój kolega Alex Mȕller tworzyliśmy materiały, które miały zupełnie przeciwne właściwości, czyli właściwości izolujące. Np. filiżanka do kawy przewodzi. Mieliśmy pewne informacje co się dzieje ze strukturą izolatorów. Mieliśmy pomysły, które niektórzy specjaliści od nadprzewodności, nazywali szalonymi. Chcieliśmy przekształcić  tlenki w materiały przewodzące z takim poziomem przewodnictwa jak metale. W przypadku tlenków niektóre elementy ich budowy zmieniały swój kształt. Mieliśmy do czynienia z sieciami trójwymiarowymi, w których metale były w kształcie ośmiościanów, czyli taki układ, że metal był w środku, a wokół 6 atomów tlenu. Ładunek tego metalu w środku zmienił się z +2 do +3. W zależności od tego, czy jest to +2 czy +3 to ośmiościan może się kurczyć lub wydłużać. Mieliśmy naiwny pomysł, że jeśli zmienimy cały układ i przepuścimy prąd przez tę sieć to elektrony będą przeskakiwać po kolei, co spowoduje efekt fali w całym układzie. Tutaj była wibracja elektronów w jakimś kierunku i okazało się, że to wywołuje zjawisko nadprzewodności w metalach. Przenieśliśmy to na tlenki i przy odpowiednich wkładach naszych materiałów zaobserwowaliśmy zjawisko nadprzewodności przy temperaturze 35 st. K. Kiedy przez te siedemdziesiąt kilka poprzednich lat mieliśmy niewielki przyrost przejścia temperatury krytycznej to teraz okazało się, że przy zmianie materiału z metalu na tlenek mieliśmy o 50% wyższą temperaturę i dlatego nazwano to nadprzewodnością w wysokich temperaturach.

- Jaką metodą poszukuje się tych nowych dodatków? Pierwotnie był to lantan i bar, potem eksperymentowano z bromem. Zastanawiam się -  mamy dziesiątki pierwiastków  czy jest jakaś metodą, którą poszukuje się nadprzewodnictwo? Jaką rolę w badaniach odgrywa intuicja? W obwieszczeniu noblowskim w 1987 roku Komitet Noblowski napisał, że w tym odkryciu wielką rolę odegrały systematyczne badania, ale również i intuicja, tak ważna dla każdego naukowca. Kiedy poszukuje się tej perfekcyjnej formuły to jaką rolę odgrywa przeczucie? Ile z tego można „wyliczyć na papierze” i potem to wychodzi?

J. B. – Tutaj oczywiście nie da się tego wyliczyć. Istnieje pewna intuicja. Natomiast ten efekt kurczenia się, rozszerzania się to jest efekt Jahna - Tellera, efekt dystorsji, czyli zakłócenia. Opisano to w doświadczeniu Jahna – Tellera – kiedy mamy miedź i nikiel zmienia się walencyjność i pewna wibracja. Miedź i nikiel to metale przejściowe, ale są wyjątkowe, bo z całego szeregu metali przejściowych tylko one dwa wykazują tego typu właściwości. Co nam zawęża możliwość tworzenia tych tlenków, które mogłyby być tylko z tymi dwoma metalami. Musieliśmy zmienić walencyjność, czyli zastąpiliśmy lantan 3-wartościowy – 2-wartościowym barem. Dzięki czemu nastąpiła zmiana walencyjności jonu w centrum. 

- Przejdźmy do perspektyw na przyszłość. 30-40 st. K to jest wysoka temperatura dla fizyka, który zajmuje się ultra niskimi temperaturami. Natomiast z naszego punktu widzenia to jest nadal ultra niska temperatura. Mówi się o nadprzewodnictwie w temperaturze pokojowej. Czy przy pomocy materiałów ceramicznych jest nadzieja na to, że uzyska się nadprzewodnictwo w temperaturach pokojowych? Jeśli nie, to jakie inne materiały mogą się do tego nadać? Czy dożyjemy czasów, kiedy kable w tym pomieszczeniu na kolejne edycji Śląskiego Festiwalu Nauki będą nadprzewodzące w temperaturze pokojowej, czy będą to nadprzewodniki organiczne, ceramiczne czy metaliczne?

J. B. – Nie ośmieliłbym się przewidywać, czy temperatura pokojowa jest odpowiednia dla przewodnictwa. Kiedy popatrzyłem na to, co zmieniło się po naszym odkryciu w 1987 roku to jestem bardzo zadowolony z poziomu, do jakiego doszliśmy do tej pory. W oparciu o recepturę, jaką my wykorzystaliśmy – tlenek miedzi z zawartością elementów ceramicznych w ciągu roku koledzy, którzy na całym świecie pracowali nad tego typu związkami, podnieśli temperaturę przejścia do 146 st. K. Jest to bardzo ważne, że w tym momencie już możemy stosować ciekły azot do celów chłodzenia i to nam umożliwia w tej chwili wiele zastosowań nadprzewodników z zawartością miedzi. Są prototypy kabli, które mogą przesyłać energię elektryczną. Mamy przykład w Stanach Zjednoczonych, gdzie na Long Island są wykorzystywane 3 kable z użyciem nadprzewodnictwa o średnicy 15 cm. Są one w stanie transportować energię o takiej mocy, jaką produkuje elektrownia nuklearna. Mamy również przykłady generatorów, które w oparciu o nadprzewodność pozwalają zmniejszyć dwukrotnie rozmiary elektrowni wiatrowych. Również ciężar tego urządzenia jest znacznie mniejszy. Nie wykorzystujemy aż tak dużo zasobów, bo potrzebujemy dużo mniej materiału do                             wytworzenia silników czy generatorów.

- Ale musimy zbadać te urządzenia do 150-160 st. K, a to są wciąż temperatury nigdzie niespotykane naturalnie na powierzchni Ziemi. Czy jest nadzieja, że bez stworzenia specjalnych warunków, np. ultra wysokich ciśnień będzie można stosować nadprzewodnictwo?

J. B. Nigdy nie można powiedzieć, że jest to niemożliwe. Do 1987 roku ktoś, kto by powiedział, że nadprzewodnictwo w temperaturze 35 st. K jest możliwe zostałby uznany za szaleńca. Są pewne eksperymenty, gdzie użyto bardzo wysokich ciśnień. Np. siarkowodór, gaz o bardzo nieprzyjemnym zapachu zgniłych jaj, doprowadzono do stanu ciekłego, potem stałego i uzyskano w nim nadprzewodnictwo w temperaturze 200 st. K, ale to jest bez sensu, bo objętość takiej substancji poddanej bardzo wysokiemu ciśnieniu jest bardzo mała, a ciśnienie jest bardzo wysokie.  Dlatego też lepiej trzymajmy się tego, co zrobiliśmy przez ostatnie trzydzieści lat, bo mamy bardzo dobre przykłady efektywnych zastosowań materiałów.

- W latach osiemdziesiątych XX wieku prawdopodobnie to samo mówiono o stopach metali., Trzymajmy się tego, co udawało się przez ostatnie sześćdziesiąt lat, a to bum – pojawiły się materiały ceramiczne, zupełnie nową klasę materiałów. Na tym polegał postęp, żeby nie trzymać się materiałów znanych, tylko szukać nowych. Szczególnie mnie zafascynowało odkrycie nadprzewodników organicznych. Można się zastanawiać czy na tej sali nie znajduje się jakiś materiał, dzisiaj przecież odbywają się tu dzisiaj setki eksperymentów fizycznych, chemicznych i biologicznych, który schłodzony do temperatury -200 st. Cnie okazałby się nadprzewodnikiem? Czy jest to prawdopodobne, że nikomu nie przyszło sprawdzić jakiś żel, koloid, polimer czy celulozę?

J. B. – Na pewno potrzebujemy takich szalonych pomysłów. Wracając do nadprzewodników organicznych – one były badane i przez jakiś czas wydawało się, że podobnie jak te związki z miedzią, będą miały swoje zastosowanie, ale o ile wiem wszystko zatrzymało się na 11 st. K. Po tym odkryciu materiałów z zawartością miedzi ktoś wrócił do laboratorium z próbką. Sprawdził swoją próbkę, tam występowało nadprzewodnictwo w temperaturze 30-40 st. K. To był magnez i bor w tym materiale. 

- Gdyby Pan profesor mógł podsumować – co musi się wydarzyć, jakie są idealne warunki, żeby nastąpił kolejnym, wielki przełom w fizyce i w innych naukach? Jaka byłaby rada dla siedzących tutaj młodych ludzi, którzy są naukowcami czy też nimi będą? Jak się dochodzi do wielkich odkryć?

J. B. – Czasami nie pomaga zbytnia specjalizacja. Czasami pomaga jak porozmawiamy, wymienimy się poglądami z kolegami, którzy nie są zaangażowani w badania, które my robimy; kiedy podejdziemy do kogoś, kto ma odmienny sposób myślenia, niekonwencjonalny; i czasami zadaje nam pytania, które według nas są głupie, ale które sprawią, że ponownie przemyślimy to, co zrobiliśmy wcześniej. Czasami trzeb jakiejś zachęty, żeby podjąć ryzyko. Ja i mój kolega Alex zaryzykowaliśmy, szliśmy niewiadomą drogą. Nie było żadnej teorii, mieliśmy prosty model, w który uwierzyliśmy i zadaliśmy sobie pytanie: >czy nie dałoby się podnieść temperatury i zastosować innych materiałów?< Co prowadzi do powiedzenia pewnego chemika >Wiele przełomów w nauce osiągnęli ludzie, którzy uważali, że nie ma czegoś takiego jak rzecz niemożliwa<.

- Dziękuję za rozmowę.

Rozmowy z wybitnym naukowcem wysłuchała, podczas III Śląskiego Festiwalu Nauki w Katowicach: Mirella DĄBEK