Um estudo inovador recente mostrou as propriedades únicas do grafeno material para uma possibilidade de longo prazo de finalmente desenvolver supercondutores econômicos e práticos de usar.
A supercondutor é um material que pode conduzir (transmitir) eletricidade sem resistência. Esta resistência é definida como alguma perda de energia que ocorre durante o processo. Assim, qualquer material torna-se supercondutor quando é capaz de conduzir eletricidade, naquele momento específico.temperatura'ou condição, sem liberação de calor, som ou qualquer outra forma de energia. Os supercondutores são 100% eficientes, mas a maioria dos materiais precisa estar em um nível extremamente baixo. energia estado para se tornarem supercondutores, o que significa que eles precisam estar muito frios. A maioria dos supercondutores precisa ser resfriada com hélio líquido a uma temperatura muito baixa de cerca de -270 graus Celsius. Assim, qualquer aplicação supercondutora é geralmente acoplada a algum tipo de resfriamento criogênico/de baixa temperatura ativo ou passivo. Este procedimento de resfriamento requer uma quantidade excessiva de energia e o hélio líquido não é apenas muito caro, mas também não renovável. Portanto, a maioria dos supercondutores convencionais ou de “baixa temperatura” são ineficientes, têm seus limites, são antieconômicos, caros e impraticáveis para uso em larga escala.
Supercondutores de alta temperatura
O campo dos supercondutores deu um grande salto em meados dos anos 1980, quando um composto de óxido de cobre foi descoberto que poderia superconduzir a -238 graus Celsius. Ainda está frio, mas muito mais quente do que as temperaturas do hélio líquido. Este foi conhecido como o primeiro “supercondutor de alta temperatura” (HTC) já descoberto, ganhando o prêmio Nobel, embora seja “alto” apenas em um sentido relativo maior. Portanto, ocorreu aos cientistas que eles poderiam se concentrar em eventualmente encontrar supercondutores que funcionassem, digamos com nitrogênio líquido (-196 ° C), tendo a vantagem de estar disponível em abundância e também ser barato. Supercondutores de alta temperatura também têm aplicações onde são necessários campos magnéticos muito altos. Seus equivalentes de baixa temperatura param de funcionar por volta de 23 teslas (tesla é uma unidade de força do campo magnético), portanto, não podem ser usados para fazer ímãs mais fortes. Mas os materiais supercondutores de alta temperatura podem funcionar em mais do que o dobro desse campo, e provavelmente ainda mais. Como os supercondutores geram grandes campos magnéticos, eles são um componente essencial em scanners e trens levitantes. Por exemplo, a ressonância magnética hoje (imagem por ressonância magnética) é uma técnica que usa essa qualidade para olhar e estudar materiais, doenças e moléculas complexas no corpo. Outras aplicações incluem armazenamento de eletricidade em escala de grade por ter linhas de energia com eficiência energética (por exemplo, cabos supercondutores podem fornecer 10 vezes mais energia do que fios de cobre do mesmo tamanho), geradores de energia eólica e também supercomputadores. Os dispositivos que são capazes de armazenar energia por milhões de anos pode ser criada com supercondutores.
Os supercondutores de alta temperatura atuais têm suas próprias limitações e desafios. Além de serem muito caros por exigirem um dispositivo de resfriamento, esses supercondutores são feitos de materiais quebradiços e não são fáceis de moldar e, portanto, não podem ser usados para fazer fios elétricos. O material também pode ser quimicamente instável em certos ambientes e extremamente sensível às impurezas da atmosfera e da água e, portanto, deve ser geralmente encerrado. Então, há apenas uma corrente máxima que os materiais supercondutores podem transportar e, acima de uma densidade de corrente crítica, a supercondutividade quebra, limitando a corrente. Custos enormes e impraticáveis estão impedindo o uso de bons supercondutores, especialmente em países em desenvolvimento. Os engenheiros, em sua imaginação, iriam realmente querer um supercondutor ferromagnético macio, maleável, que fosse impermeável a impurezas ou a campos magnéticos e de corrente aplicados. É pedir muito!
O grafeno pode ser isso!
O critério central de um supercondutor de sucesso é encontrar uma alta temperatura supercondutor, o cenário ideal sendo a temperatura ambiente. No entanto, os materiais mais novos ainda são limitados e muito difíceis de fazer. Ainda há um aprendizado contínuo neste campo sobre a metodologia exata que esses supercondutores de alta temperatura adotam e como os cientistas poderiam chegar a um novo design que seja prático. Um dos aspectos desafiadores em supercondutores de alta temperatura é que é muito mal compreendido o que realmente ajuda os elétrons em um material a se emparelharem. Em um estudo recente, foi mostrado pela primeira vez que o material grafeno tem qualidade supercondutora intrínseca e podemos realmente fazer um supercondutor de grafeno no próprio estado natural do material. O grafeno, um material puramente baseado em carbono, foi descoberto apenas em 2004 e é o material mais fino que se conhece. Também é leve e flexível, com cada folha composta de átomos de carbono dispostos hexagonalmente. É considerado mais forte do que o aço e expressa uma condutividade elétrica muito melhor em comparação com o cobre. Portanto, é um material multidimensional com todas essas propriedades promissoras.
Físicos do Massachusetts Institute of Technology e da Harvard University, nos Estados Unidos, cujo trabalho está publicado em dois artigos1,2 in Natureza, relataram que são capazes de ajustar o grafeno material para mostrar dois comportamentos elétricos extremos - como um isolador no qual não permite a passagem de nenhuma corrente e como um supercondutor no qual permite que a corrente passe sem qualquer resistência. Uma “superrede” de duas folhas de grafeno foi criada empilhadas e giradas levemente em um “ângulo mágico” de 1.1 graus. Este arranjo de padrão de favo de mel hexagonal sobreposto em particular foi feito de modo a potencialmente induzir "interações fortemente correlacionadas" entre os elétrons nas folhas de grafeno. E isso aconteceu porque o grafeno poderia conduzir eletricidade com resistência zero neste "ângulo mágico", enquanto qualquer outro arranjo empilhado manteve o grafeno distinto e não havia interação com as camadas vizinhas. Eles mostraram uma maneira de fazer o grafeno adotar uma qualidade intrínseca de superconduzir por conta própria. Isso é altamente relevante porque o mesmo grupo já havia sintetizado supercondutores de grafeno, colocando o grafeno em contato com outros metais supercondutores, permitindo-lhe herdar alguns comportamentos supercondutores, mas não poderia conseguir com o grafeno sozinho. Este é um relatório inovador porque as habilidades condutivas do grafeno são conhecidas há algum tempo, mas é a primeira vez que a supercondutividade do grafeno foi alcançada sem alterar ou adicionar outros materiais a ele. Assim, o grafeno poderia ser usado para fazer um tipo de transistor dispositivo em um circuito supercondutor e a supercondutividade expressa pelo grafeno poderiam ser incorporados em dispositivos eletrônicos moleculares com novas funcionalidades.
Isto traz-nos de volta a toda a conversa sobre supercondutores de alta temperatura e, embora este sistema ainda precisasse de ser arrefecido a 1.7 graus Celsius, a produção e utilização de grafeno para grandes projetos parece agora alcançável através da investigação da sua supercondutividade não convencional. Ao contrário dos supercondutores convencionais, a atividade do grafeno não pode ser explicada pela teoria dominante da supercondutividade. Essa atividade não convencional foi observada em óxidos de cobre complexos chamados cupratos, conhecidos por conduzirem eletricidade a até 133 graus Celsius, e têm sido foco de pesquisas há várias décadas. Porém, ao contrário desses cupratos, um sistema de grafeno empilhado é bastante simples e o material também é melhor compreendido. Só agora o grafeno foi descoberto como um supercondutor puro, mas o material em si tem muitas capacidades notáveis que já eram conhecidas. Este trabalho abre caminho para um papel mais forte do grafeno e para o desenvolvimento de supercondutores de alta temperatura que sejam ecológicos e mais energia eficiente e, o mais importante, funciona à temperatura ambiente, eliminando a necessidade de resfriamento caro. Isto poderia revolucionar a transmissão de energia, os ímanes de investigação, os dispositivos médicos, especialmente os scanners, e poderia realmente alterar a forma como a energia é transmitida nas nossas casas e escritórios.
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{Você pode ler o artigo de pesquisa original clicando no link DOI fornecido abaixo na lista de fontes citadas}
Fontes)
1. Yuan C et al. 2018. Comportamento do isolador correlacionado na metade do preenchimento em superredes de grafeno de ângulo mágico. Natureza. https://doi.org/10.1038/nature26154
2. Yuan C et al. 2018. Supercondutividade não convencional em superredes de grafeno de ângulo mágico. Natureza. https://doi.org/10.1038/nature26160
