Magnesiumdiborid - Magnesium diboride
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3D-Modell ( JSmol )
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| ChemSpider | |
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100.031.352 
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PubChem- CID
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CompTox-Dashboard ( EPA )
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| Eigenschaften | |
| MgB 2 | |
| Molmasse | 45,93 g/mol |
| Dichte | 2,57 g / cm 3 |
| Schmelzpunkt | 830 °C (1.530 °F; 1.100 K) (zersetzt) |
| Struktur | |
| Sechseckig, hP3 | |
| P6/mmm, Nr. 191 | |
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Sofern nicht anders angegeben, beziehen sich die Daten auf Materialien im Standardzustand (bei 25 °C [77 °F], 100 kPa). |
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| Infobox-Referenzen | |
Magnesiumdiborid ist die anorganische Verbindung mit der Formel MgB 2 . Es ist ein dunkelgrauer, wasserunlöslicher Feststoff. Die Verbindung hat Aufmerksamkeit erregt, weil sie bei 39 K (−234 °C) supraleitend wird . In seiner Zusammensetzung unterscheidet sich MgB 2 deutlich von den meisten Tieftemperatur-Supraleitern, die hauptsächlich Übergangsmetalle aufweisen. Sein supraleitender Mechanismus wird hauptsächlich durch die BCS-Theorie beschrieben .
Supraleitung
Die supraleitenden Eigenschaften von Magnesiumdiborid wurden 2001 entdeckt. Seine kritische Temperatur ( T c ) von 39 K (-234 °C; -389 °F) ist die höchste unter konventionellen Supraleitern . Unter konventionellen ( Phononen-vermittelten ) Supraleitern ist dies ungewöhnlich. Seine elektronische Struktur ist so, dass es auf dem Fermi-Niveau zwei Arten von Elektronen mit sehr unterschiedlichem Verhalten gibt, von denen einer ( Sigma-Bindung ) viel stärker supraleitend ist als der andere ( Pi-Bindung ). Dies steht im Widerspruch zu den üblichen Theorien der Phononen-vermittelten Supraleitung, die davon ausgehen, dass sich alle Elektronen gleich verhalten. Ein theoretisches Verständnis der Eigenschaften von MgB 2 wurde durch die Modellierung von zwei Energielücken nahezu erreicht. Im Jahr 2001 galt es eher als ein metallischer als wie ein Cuprat-Supraleiter .
Semi-Meißner-Staat
Unter Verwendung der BCS-Theorie und der bekannten Energielücken der Pi- und Sigma-Bänder von Elektronen (2,2 bzw. 7,1 meV) wurde festgestellt, dass die Pi- und Sigma-Bänder der Elektronen zwei unterschiedliche Kohärenzlängen (51 nm bzw. 13 nm) haben. . Die entsprechenden London-Eindringtiefen betragen 33,6 nm und 47,8 nm. Dies impliziert, dass die Ginzburg-Landau-Parameter 0,66 ± 0,02 bzw. 3,68 betragen. Die erste ist , weniger als 1 / √ 2 und die zweite ist länger, damit der erste Rand scheint Typ I Supraleitung und der zweite Typ II Supraleitung anzuzeigen.
Es wurde vorhergesagt, dass, wenn zwei verschiedene Elektronenbänder zwei Quasiteilchen ergeben, von denen eines eine Kohärenzlänge hat, die eine Supraleitung vom Typ I und eines vom Typ II anzeigen würde, Wirbel sich in bestimmten Fällen über große Entfernungen anziehen und bei abstoßen kurze Distanzen. Insbesondere wird die potentielle Energie zwischen Wirbeln in einem kritischen Abstand minimiert. Als Konsequenz gibt es eine vermutete neue Phase, die als Semi-Meißner-Zustand bezeichnet wird , in der Wirbel um den kritischen Abstand getrennt sind. Wenn der angelegte Fluss zu klein ist, um den gesamten Supraleiter mit einem durch den kritischen Abstand getrennten Wirbelgitter zu füllen, dann gibt es große Bereiche von Typ-I-Supraleitung, einem Meissner-Zustand, die diese Domänen trennen.
Die experimentelle Bestätigung dieser Vermutung ist kürzlich in MgB 2 -Experimenten bei 4,2 Kelvin angekommen . Die Autoren fanden heraus, dass es tatsächlich Regime mit einer viel größeren Wirbeldichte gibt. Während die typische Variation des Abstands zwischen Abrikosov-Wirbeln in einem Supraleiter vom Typ II 1% beträgt, fanden sie eine Variation in der Größenordnung von 50%, im Einklang mit der Idee, dass Wirbel sich zu Domänen zusammenfügen, in denen sie durch den kritischen Abstand getrennt sein können. Für diesen Zustand wurde der Begriff Typ-1.5-Supraleitung geprägt.
Synthese
1953 wurde Magnesiumdiborid synthetisiert und seine Struktur bestätigt. Die einfachste Synthese beinhaltet eine Hochtemperaturreaktion zwischen Bor- und Magnesiumpulvern . Die Bildung beginnt bei 650 °C; Da Magnesiummetall jedoch bei 652 °C schmilzt, kann die Reaktion eine Diffusion von Magnesiumdampf über Borkorngrenzen hinweg beinhalten. Bei herkömmlichen Reaktionstemperaturen ist das Sintern minimal, obwohl die Kornrekristallisation für das Josephson- Quantentunneln zwischen den Körnern ausreichend ist .
Supraleitender Magnesiumdiboriddraht kann durch das Pulver-in-Rohr (PIT) ex situ und in situ Verfahren hergestellt werden. Bei der in-situ- Variante wird ein Gemisch aus Bor und Magnesium durch konventionelles Drahtziehen im Durchmesser reduziert . Der Draht wird dann auf die Reaktionstemperatur erhitzt, um MgB 2 zu bilden . Bei der Ex-situ- Variante wird das Rohr mit MgB 2 -Pulver gefüllt , im Durchmesser reduziert und bei 800 bis 1000 °C gesintert. In beiden Fällen verbessert ein späteres heißisostatisches Pressen bei ca. 950 °C die Eigenschaften weiter.
Eine alternative Technik, die 2003 offenbart wurde, verwendet eine reaktive flüssige Infiltration von Magnesium innerhalb einer körnigen Vorform von Borpulvern und wurde als Mg-RLI-Technik bezeichnet. Das Verfahren ermöglichte die Herstellung sowohl von Schüttgütern mit hoher Dichte (mehr als 90% der theoretischen Dichte für MgB 2 ) als auch von speziellen Hohlfasern. Dieses Verfahren entspricht ähnlichen auf Schmelzwachstum basierenden Verfahren, wie dem Infiltrations- und Wachstumsverarbeitungsverfahren, das zur Herstellung von massiven YBCO- Supraleitern verwendet wird, bei denen das nicht supraleitende Y 2 BaCuO 5 als körnige Vorform verwendet wird, in die flüssige Phasen auf YBCO-Basis infiltriert werden, um supraleitendes YBCO . herzustellen Schüttgut. Diese Methode wurde für MgB 2 kopiert und angepasst und in Reactive Mg Liquid Infiltration umbenannt . Das Verfahren der reaktiven Mg-Flüssigkeitsinfiltration in eine Bor-Vorform zur Gewinnung von MgB 2 wurde von der italienischen Firma Edison SpA zum Patent angemeldet .
Die hybride physikalisch-chemische Gasphasenabscheidung (HPCVD) ist die effektivste Technik zur Abscheidung von dünnen Magnesiumdiborid-(MgB 2 ) -Schichten . Die Oberflächen von MgB 2 -Filmen, die mit anderen Technologien abgeschieden wurden, sind normalerweise rau und nicht stöchiometrisch . Im Gegensatz dazu kann das HPCVD- System hochwertige in-situ- reine MgB 2 -Filme mit glatten Oberflächen züchten , die erforderlich sind, um reproduzierbare gleichmäßige Josephson-Übergänge herzustellen , das grundlegende Element supraleitender Schaltkreise.
Elektromagnetische Eigenschaften
Die Eigenschaften hängen stark von der Zusammensetzung und dem Herstellungsverfahren ab. Viele Eigenschaften sind aufgrund der Schichtstruktur anisotrop. „Schmutzige“ Proben, zB mit Oxiden an den Kristallgrenzen, unterscheiden sich von „sauberen“ Proben.
- Die höchste supraleitende Übergangstemperatur T c beträgt 39 K.
- MgB 2 ist ein Supraleiter vom Typ II , dh ein zunehmendes Magnetfeld dringt allmählich in ihn ein.
- Der kritische Maximalstrom ( J c ) beträgt: 10 5 A/m 2 bei 20 T, 10 6 A/m 2 bei 18 T, 10 7 A/m 2 bei 15 T, 10 8 A/m 2 bei 10 T, 10 9 A/m 2 bei 5 T.
- Ab 2008 : Oberes kritisches Feld (H c2 ): (parallel zu ab- Ebenen) beträgt ~14 T, (senkrecht zu ab- Ebenen) ~3 T, in dünnen Schichten bis 74 T, in Fasern bis 55 T.
Besserung durch Doping
Durch verschiedene Dotierungen von MgB 2 mit Kohlenstoff (zB mit 10 % Apfelsäure ) können das obere kritische Feld und die maximale Stromdichte (auch bei Polyvinylacetat ) verbessert werden .
Eine 5%ige Dotierung mit Kohlenstoff kann H c2 von 16 auf 36 T erhöhen, während T c nur von 39 K auf 34 K gesenkt wird . Der maximale kritische Strom ( J c ) wird verringert, aber eine Dotierung mit TiB 2 kann die Abnahme verringern. (Die Dotierung von MgB 2 mit Ti ist patentiert.)
Der maximale kritische Strom ( J c ) im Magnetfeld wird durch die Dotierung mit ZrB 2 stark erhöht (ca. das Doppelte bei 4,2 K) .
Bereits geringe Dotierungsmengen führen beide Bänder in den Typ II-Bereich, so dass kein Semi-Meißner-Zustand zu erwarten ist.
Wärmeleitfähigkeit
MgB 2 ist ein Multiband-Supraleiter, d. h. jede Fermi-Oberfläche hat eine andere supraleitende Energielücke. Für MgB 2 ist die Sigma-Bindung von Bor stark und induziert eine große s-Wellen-Supraleitungslücke, und die pi-Bindung ist schwach und induziert eine kleine s-Wellen-Lücke. Die Quasiteilchenzustände der Wirbel mit großem Spalt sind stark auf den Wirbelkern beschränkt. Andererseits sind die Quasiteilchenzustände mit kleinem Spalt lose an den Wirbelkern gebunden. Somit können sie delokalisiert werden und leicht zwischen benachbarten Wirbeln überlappen. Eine solche Delokalisierung kann stark zur Wärmeleitfähigkeit beitragen, die über H c1 abrupt ansteigt .
Mögliche Anwendungen
Supraleiter
Supraleitende Eigenschaften und niedrige Kosten machen Magnesiumdiborid für eine Vielzahl von Anwendungen attraktiv. Für diese Anwendungen wird MgB 2 -Pulver mit Silbermetall (oder Edelstahl 316) über das Pulver-in-Rohr- Verfahren zu Draht und manchmal zu Band verpresst .
Im Jahr 2006 wurde ein offenes MRT- supraleitendes Magnetsystem mit 0,5 Tesla unter Verwendung von 18 km MgB 2 -Drähten gebaut . Dieses MRI verwendet einen Kryokühler mit geschlossenem Kreislauf , ohne dass extern zugeführte kryogene Flüssigkeiten zum Kühlen benötigt werden.
"...die MRT-Instrumente der nächsten Generation müssen aus MgB 2 -Spulen anstelle von NbTi- Spulen bestehen und im Bereich 20–25 K ohne flüssiges Helium zur Kühlung arbeiten. ... Neben den Magnetanwendungen haben MgB 2 -Leiter potenzielle Anwendungen in der Supraleitung Transformatoren, Rotoren und Übertragungskabel bei Temperaturen um 25 K, bei Feldern von 1 T."
Ein Projekt am CERN zur Herstellung von MgB 2 -Kabeln hat zu supraleitenden Testkabeln geführt , die 20.000 Ampere für extrem hohe Stromverteilungsanwendungen tragen können, wie die in Betracht gezogene Version mit hoher Leuchtkraft des großen Hadronenbeschleunigers .
Die IGNITOR Tokamak - Design wurde auf Basis von MgB 2 für seine poloidale Spulen.
Dünne Beschichtungen können in supraleitenden Hochfrequenzhohlräumen verwendet werden, um den Energieverlust zu minimieren und die Ineffizienz von mit flüssigem Helium gekühlten Niobhohlräumen zu reduzieren.
Aufgrund der geringen Kosten seiner Bestandteile ist MgB 2 vielversprechend für die Verwendung in supraleitenden Magneten mit niedrigem bis mittlerem Feld, Elektromotoren und Generatoren, Fehlerstrombegrenzern und Stromleitungen.
Treibmittel, Sprengstoffe, Pyrotechnik
Im Gegensatz zu elementarem Bor, dessen Verbrennung durch die glasartige Oxidschicht, die die Sauerstoffdiffusion behindert, unvollständig ist, verbrennt Magnesiumdiborid vollständig, wenn es in Sauerstoff oder in Mischungen mit Oxidationsmitteln gezündet wird. So wurde Magnesiumborid als Treibstoff in Staustrahltriebwerken vorgeschlagen . Außerdem wurde aus den gleichen Gründen die Verwendung von MgB 2 in sprengstoffverstärkten Sprengstoffen und Treibmitteln vorgeschlagen. Kürzlich konnte gezeigt werden, dass Köderfackeln mit Magnesiumdiborid/ Teflon / Viton eine um 30–60% erhöhte spektrale Effizienz E λ (J g −1 sr −1 ) im Vergleich zu klassischen Magnesium/Teflon/Viton (MTV)-Nutzlasten aufweisen. Eine Anwendung von Magnesiumdiborid für Hybridraketenantriebe wurde ebenfalls untersucht, wobei die Verbindung in Paraffinwachs-Treibstoffkörner gemischt wird, um die mechanischen Eigenschaften und die Verbrennungseigenschaften zu verbessern.
Verweise
Externe Links
- Wesentliche wissenschaftliche Indikatoren zu MgB 2 (1992 – Mai 2002)
- Altes Material feiert ein neues Debüt , US Department of Energy Research News, 2001