Informasi Sekolah Kedinasan

Informasi lengkap, klik logo sekolah kedinasan!


Tampilkan postingan dengan label Berita Sains. Tampilkan semua postingan
Tampilkan postingan dengan label Berita Sains. Tampilkan semua postingan

Jumat, 05 Agustus 2022

Apa itu superkonduktor?




Oleh Paul Sutter diterbitkan 24 Juli 2021

Dalam superkonduktor, arus listrik bisa ada selamanya.

Superkonduktor digunakan dalam berbagai aplikasi, seperti Kereta Maglev Shanghai, juga dikenal sebagai Shanghai Transrapid, kereta levitasi magnetik berkecepatan tinggi. (Kredit gambar: Getty Images/ Christian Petersen-Clausen)

Superkonduktor adalah bahan yang mencapai superkonduktivitas, yang merupakan keadaan materi yang tidak memiliki hambatan listrik dan tidak memungkinkan medan magnet untuk menembus. Arus listrik dalam superkonduktor dapat bertahan tanpa batas.

Superkonduktivitas biasanya hanya dapat dicapai pada suhu yang sangat dingin. Superkonduktor memiliki beragam aplikasi sehari-hari, mulai dari mesin MRI hingga kereta maglev super cepat yang menggunakan magnet untuk mengangkat kereta keluar jalur guna mengurangi gesekan. Para peneliti sekarang mencoba untuk menemukan dan mengembangkan superkonduktor yang bekerja pada suhu yang lebih tinggi, yang akan merevolusi transportasi dan penyimpanan energi.

Superkonduktor adalah bahan yang mencapai superkonduktivitas, yang merupakan keadaan materi yang tidak memiliki hambatan listrik dan tidak memungkinkan medan magnet untuk menembus. Arus listrik dalam superkonduktor dapat bertahan tanpa batas.

Superkonduktivitas biasanya hanya dapat dicapai pada suhu yang sangat dingin. Superkonduktor memiliki beragam aplikasi sehari-hari, mulai dari mesin MRI hingga kereta maglev super cepat yang menggunakan magnet untuk mengangkat kereta keluar jalur guna mengurangi gesekan. Para peneliti sekarang mencoba untuk menemukan dan mengembangkan superkonduktor yang bekerja pada suhu yang lebih tinggi, yang akan merevolusi transportasi dan penyimpanan energi.

Untuk mengkonfirmasi hasil ini, Onnes menerapkan arus listrik ke sampel merkuri yang didinginkan, lalu melepaskan baterai. Dia menemukan bahwa arus listrik bertahan di merkuri tanpa berkurang, membenarkan kurangnya hambatan listrik dan membuka pintu untuk aplikasi superkonduktivitas di masa depan.

SEJARAH SUPERKONDUKTIVITAS

Fisikawan menghabiskan beberapa dekade mencoba memahami sifat superkonduktivitas dan apa yang menyebabkannya. Mereka menemukan bahwa banyak elemen dan material, tetapi tidak semuanya, menjadi superkonduktor ketika didinginkan di bawah suhu kritis tertentu.

Pada tahun 1933, fisikawan Walther Meissner dan Robert Ochsenfeld menemukan bahwa superkonduktor "mengusir" medan magnet terdekat, yang berarti medan magnet yang lemah tidak dapat menembus jauh di dalam superkonduktor, menurut Hyper Physics, situs pendidikan dari departemen fisika dan astronomi. Fenomena ini disebut efek Meissner.

Baru pada tahun 1950 fisikawan teoretis Lev Landau dan Vitaly Ginzburg menerbitkan teori tentang bagaimana superkonduktor bekerja, menurut biografi Ginzburg di situs web The Nobel Prize. Meskipun berhasil memprediksi sifat-sifat superkonduktor, teori mereka adalah "makroskopik", yang berarti teori itu berfokus pada perilaku superkonduktor skala besar sambil tetap mengabaikan apa yang terjadi pada tingkat mikroskopis.

Akhirnya, pada tahun 1957, fisikawan John Bardeen, Leon N. Cooper dan Robert Schrieffer mengembangkan teori superkonduktivitas mikroskopis yang lengkap. Untuk menciptakan hambatan listrik, elektron dalam logam harus bebas untuk memantul. Tetapi ketika elektron di dalam logam menjadi sangat dingin, mereka dapat berpasangan, mencegahnya memantul. Pasangan elektron ini, yang disebut pasangan Cooper, sangat stabil pada suhu rendah, dan tanpa elektron "bebas" untuk memantul, hambatan listrik menghilang. Bardeen, Cooper dan Schrieffer menyatukan potongan-potongan ini untuk membentuk teori mereka, yang dikenal sebagai teori BCS, yang mereka terbitkan dalam jurnal Physical Review Letters.

BAGAIMANA SUPERCONDUCTOR BEKERJA?

Ketika logam turun di bawah suhu kritis, elektron dalam logam membentuk ikatan yang disebut pasangan Cooper. Terkunci seperti ini, elektron tidak dapat memberikan hambatan listrik, dan listrik dapat mengalir melalui logam dengan sempurna, menurut University of Cambridge.

Namun, ini hanya bekerja pada suhu rendah. Ketika logam menjadi terlalu hangat, elektron memiliki energi yang cukup untuk memutuskan ikatan pasangan Cooper dan kembali menawarkan resistansi. Itulah sebabnya Onnes, dalam eksperimen aslinya, menemukan bahwa merkuri berperilaku sebagai superkonduktor pada 4,19 K, tetapi tidak pada 4,2 K.

UNTUK APA SUPERCONDUCTOR DIGUNAKAN?

Sangat mungkin Anda menemukan superkonduktor tanpa menyadarinya. Untuk menghasilkan medan magnet yang kuat yang digunakan dalam pencitraan resonansi magnetik (MRI) dan pencitraan resonansi magnetik nuklir (NMRI), mesin menggunakan elektromagnet yang kuat, seperti yang dijelaskan oleh Mayo Clinic. Elektromagnet yang kuat ini akan melelehkan logam biasa karena panasnya bahkan sedikit hambatan. Namun, karena superkonduktor tidak memiliki hambatan listrik, tidak ada panas yang dihasilkan, dan elektromagnet dapat menghasilkan medan magnet yang diperlukan.

Elektromagnet superkonduktor serupa juga digunakan di kereta maglev, reaktor fusi nuklir eksperimental, dan laboratorium akselerator partikel berenergi tinggi. Superkonduktor juga digunakan untuk menggerakkan railgun dan coilgun, stasiun pangkalan ponsel, sirkuit digital cepat, dan detektor partikel.

"Salah satu aplikasi superkonduktor yang paling menarik adalah untuk komputer kuantum," kata Alexey Bezryadin, fisikawan materi terkondensasi di University of Illinois di Urbana-Champaign. Karena sifat unik arus listrik dalam superkonduktor, mereka dapat digunakan untuk membangun komputer kuantum.

"Komputer semacam itu terdiri dari bit kuantum atau qubit. Qubit, tidak seperti bit informasi klasik, dapat eksis dalam status superposisi kuantum menjadi '0' dan '1' pada saat yang sama. Perangkat superkonduktor dapat meniru ini," kata Bezryadin kepada Live Science . "Misalnya, arus dalam loop superkonduktor dapat mengalir searah jarum jam dan berlawanan arah jarum jam pada saat yang sama. Keadaan seperti itu merupakan contoh qubit superkonduktor."

Superkonduktor memungkinkan elektromagnet yang kuat di mesin MRI bekerja tanpa melelehkan mesin. (Kredit gambar: Getty Images/ Thomas Barwick)

APA YANG TERBARU DALAM PENELITIAN SUPERCONDUCTOR?

Tantangan pertama bagi para peneliti saat ini adalah "untuk mengembangkan bahan yang superkonduktor pada kondisi sekitar, karena saat ini superkonduktivitas hanya ada baik pada suhu yang sangat rendah atau pada tekanan yang sangat tinggi," kata Mehmet Dogan, peneliti postdoctoral di University of California, Berkeley. Tantangan berikutnya adalah mengembangkan teori yang menjelaskan bagaimana superkonduktor baru bekerja dan memprediksi sifat-sifat bahan tersebut, Dogan mengatakan kepada Live Science melalui email.

Superkonduktor dipisahkan menjadi dua kategori utama: superkonduktor suhu rendah (LTS), juga dikenal sebagai superkonduktor konvensional, dan superkonduktor suhu tinggi (HTS), atau superkonduktor tidak konvensional. LTS dapat dijelaskan dengan teori BCS untuk menjelaskan bagaimana elektron membentuk pasangan Cooper, sedangkan HTS menggunakan metode mikroskopis lain untuk mencapai resistansi nol. Asal usul HTS adalah salah satu masalah utama fisika modern yang belum terpecahkan.

Sebagian besar penelitian historis tentang superkonduktivitas mengarah ke LTS, karena superkonduktor tersebut lebih mudah ditemukan dan dipelajari, dan hampir semua aplikasi superkonduktivitas melibatkan LTS.

Sebaliknya, HTS adalah bidang penelitian modern yang aktif dan menarik. Apa pun yang berfungsi sebagai superkonduktor di atas 70 K umumnya dianggap sebagai HTS. Meskipun itu masih cukup dingin, suhu itu diinginkan karena dapat dicapai dengan pendinginan dengan nitrogen cair, yang jauh lebih umum dan tersedia daripada helium cair yang dibutuhkan untuk mendinginkan ke suhu yang lebih rendah yang dibutuhkan untuk LTS.

MASA DEPAN SUPERKONDUKTOR

"Cawan suci" penelitian superkonduktor adalah menemukan bahan yang dapat bertindak sebagai superkonduktor pada suhu kamar. Sampai saat ini, suhu superkonduktor tertinggi dicapai dengan hidrida sulfur karbonat yang sangat bertekanan, yang mencapai superkonduktivitas pada 59 F (15 C, atau sekitar 288 K), tetapi membutuhkan 267 gigapascal tekanan untuk melakukannya. Tekanan itu setara dengan interior planet raksasa seperti Jupiter, yang membuatnya tidak praktis untuk aplikasi sehari-hari.

Superkonduktor suhu kamar akan memungkinkan transmisi energi listrik tanpa kehilangan atau pemborosan, kereta maglev yang lebih efisien, dan penggunaan teknologi MRI yang lebih murah dan ada di mana-mana. Aplikasi praktis superkonduktor suhu kamar tidak terbatas — fisikawan hanya perlu mengetahui bagaimana superkonduktor bekerja pada suhu kamar dan bahan "Goldilocks" apa yang memungkinkan terjadinya superkonduktivitas.

Paul Sutter
Paul Sutter 

Paul M. Sutter adalah profesor riset astrofisika di SUNY Stony Brook University dan Flatiron Institute di New York City. Dia secara teratur muncul di TV dan podcast, termasuk "Ask a Spaceman." Dia adalah penulis dua buku, "Tempat Anda di Alam Semesta" dan "Cara Mati di Luar Angkasa," dan merupakan kontributor tetap untuk Space.com, Live Science, dan banyak lagi. Paul menerima gelar PhD di bidang Fisika dari University of Illinois di Urbana-Champaign pada tahun 2011, dan menghabiskan tiga tahun di Institut Astrofisika Paris, diikuti dengan beasiswa penelitian di Trieste, Italia.

5 Pertanyaan Dasar Tentang DNA dan Jawabannya



Apa yang dilakukan DNA?

Asam deoksiribonukleat (DNA) adalah bahan kimia organik yang mengandung informasi genetik dan instruksi untuk sintesis protein. Ini ditemukan di sebagian besar sel setiap organisme. DNA adalah bagian penting dari reproduksi di mana pewarisan genetik terjadi melalui pewarisan DNA dari orang tua atau orang tua ke keturunannya.

Terbuat dari apakah DNA?

DNA terbuat dari nukleotida. Sebuah nukleotida memiliki dua komponen: tulang punggung, terbuat dari gula deoksiribosa dan gugus fosfat, dan basa nitrogen, yang dikenal sebagai sitosin, timin, adenin, dan guanin. Kode genetik dibentuk melalui pengaturan basa yang berbeda.

Siapa yang menemukan struktur DNA?

Penemuan struktur heliks ganda DNA dikreditkan ke peneliti James Watson dan Francis Crick, yang, dengan sesama peneliti Maurice Wilkins, menerima Hadiah Nobel pada tahun 1962 untuk pekerjaan mereka. Banyak yang percaya bahwa Rosalind Franklin juga harus diberi penghargaan, karena dia membuat foto revolusioner struktur heliks ganda DNA, yang digunakan sebagai bukti tanpa izinnya.

Bisakah Anda mengedit DNA?

Pengeditan gen saat ini sebagian besar dilakukan melalui teknik yang disebut Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats (CRISPR), yang diadopsi dari mekanisme bakteri yang dapat memotong bagian tertentu dalam DNA. Salah satu penggunaan CRISPR adalah penciptaan tanaman organisme hasil rekayasa genetika (GMO).

Apa itu komputer DNA?

Komputasi DNA adalah arsitektur komputer yang diusulkan yang akan menggunakan sifat mengikat diri DNA untuk melakukan perhitungan. Tidak seperti komputasi klasik, komputasi DNA akan memungkinkan beberapa proses paralel dan perhitungan terjadi pada waktu yang sama.

Sumber: https://www.britannica.com/science/DNA

Dalam DNA, para ilmuwan menemukan solusi untuk merekayasa elektronik transformatif


Para ilmuwan di Fakultas Kedokteran Universitas Virginia dan kolaborator mereka telah menggunakan DNA untuk mengatasi hambatan yang hampir tidak dapat diatasi untuk merekayasa bahan yang akan merevolusi elektronik.

                baca juga tentang: 5 Pertanyaan Dasar Tentang DNA dan Jawabannya


Salah satu hasil yang mungkin dari bahan rekayasa tersebut bisa menjadi superkonduktor (baca juga: Apa itu superkonduktor?), yang memiliki hambatan listrik nol, memungkinkan elektron mengalir tanpa hambatan. Itu berarti mereka tidak kehilangan energi dan tidak menghasilkan panas, tidak seperti alat transmisi listrik saat ini. Pengembangan superkonduktor yang dapat digunakan secara luas pada suhu kamar -- alih-alih pada suhu yang sangat tinggi atau rendah, seperti yang mungkin terjadi sekarang -- dapat menghasilkan komputer yang sangat cepat, mengecilkan ukuran perangkat elektronik, memungkinkan kereta berkecepatan tinggi untuk mengapung di magnet dan penggunaan energi tebas, di antara manfaat lainnya.

Salah satu superkonduktor tersebut pertama kali diusulkan lebih dari 50 tahun yang lalu oleh fisikawan Stanford William A. Little. Para ilmuwan telah menghabiskan beberapa dekade mencoba membuatnya bekerja, tetapi bahkan setelah memvalidasi kelayakan idenya, mereka menghadapi tantangan yang tampaknya mustahil untuk diatasi. Sampai sekarang.

Edward H. Egelman, PhD, dari Departemen Biokimia dan Genetika Molekuler UVA, telah menjadi pemimpin di bidang mikroskopi cryo-elektron (cryo-EM), dan dia serta Leticia Beltran, seorang mahasiswa pascasarjana di labnya, menggunakan cryo- Pencitraan EM untuk proyek yang tampaknya mustahil ini. "Ini menunjukkan," katanya, "bahwa teknik cryo-EM memiliki potensi besar dalam penelitian material."


Teknik di Tingkat Atom

Salah satu cara yang mungkin untuk mewujudkan ide Little untuk superkonduktor adalah dengan memodifikasi kisi karbon nanotube, silinder berongga karbon yang sangat kecil sehingga harus diukur dalam nanometer -- sepersejuta meter. Tapi ada tantangan besar: mengendalikan reaksi kimia di sepanjang nanotube sehingga kisi dapat dirakit setepat yang dibutuhkan dan berfungsi sebagaimana mestinya.

Egelman dan rekan-rekannya menemukan jawaban di blok bangunan kehidupan. Mereka mengambil DNA, materi genetik yang memberi tahu sel-sel hidup cara beroperasi, dan menggunakannya untuk memandu reaksi kimia yang akan mengatasi penghalang besar bagi superkonduktor Little. Singkatnya, mereka menggunakan kimia untuk melakukan rekayasa struktural yang sangat presisi -- konstruksi pada tingkat molekul individu. Hasilnya adalah kisi nanotube karbon yang dirakit sesuai kebutuhan untuk superkonduktor suhu kamar Little.

"Pekerjaan ini menunjukkan bahwa modifikasi karbon nanotube yang dipesan dapat dicapai dengan memanfaatkan kontrol urutan DNA atas jarak antara situs reaksi yang berdekatan," kata Egelman.

Kisi yang mereka bangun belum diuji untuk superkonduktivitas, untuk saat ini, tetapi menawarkan bukti prinsip dan memiliki potensi besar untuk masa depan, kata para peneliti. "Sementara cryo-EM telah muncul sebagai teknik utama dalam biologi untuk menentukan struktur atom dari kumpulan protein, sejauh ini pengaruhnya jauh lebih kecil dalam ilmu material," kata Egelman, yang penelitian sebelumnya mengarah pada induksi di National Academy of Sains, salah satu penghargaan tertinggi yang bisa diterima ilmuwan.

Egelman dan rekan-rekannya mengatakan pendekatan yang dipandu DNA mereka untuk konstruksi kisi dapat memiliki berbagai macam aplikasi penelitian yang berguna, terutama dalam fisika. Tapi itu juga memvalidasi kemungkinan membangun superkonduktor suhu kamar Little. Pekerjaan para ilmuwan, dikombinasikan dengan terobosan lain dalam superkonduktor dalam beberapa tahun terakhir, pada akhirnya dapat mengubah teknologi seperti yang kita kenal dan mengarah ke masa depan "Star Trek" yang jauh lebih banyak.

"Sementara kita sering berpikir biologi menggunakan alat dan teknik dari fisika, pekerjaan kami menunjukkan bahwa pendekatan yang dikembangkan dalam biologi sebenarnya dapat diterapkan pada masalah dalam fisika dan teknik," kata Egelman. "Inilah yang sangat menarik tentang sains: tidak bisa memprediksi ke mana arah pekerjaan kita."

Pekerjaan itu didukung oleh Institut Standar dan Teknologi Nasional Departemen Perdagangan dan oleh hibah Institut Kesehatan Nasional GM122510, serta oleh persekutuan postdoctoral NRC.

Sumber: https://www.sciencedaily.com/releases/2022/08/220802104946.htm