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 is a material which can conduct (transmit) eletricidade without resistance. This resistance is defined as some loss of energia which occurs during the process. So, any material becomes superconductive when it is able to conduct electricity, at that particular ‘temperatura’ or condition, without release of heat, sound or any other form of energy. Superconductors are 100 percent efficient but most materials require to be in an extremely low energia state in order to become superconductive, which means that they have to be very cold. Most superconductors need to be cooled with liquid helium to very low temperature of about -270 degrees Celsius. Thus any superconducting application is generally coupled with some sort of active or passive cryogenic/low temperature cooling. This cooling procedure requires an excessive amount of energy in itself and liquid helium is not only very expensive but also non-renewable. Therefore, most conventional or “low temperature” superconductors are inefficient, have their limits, are uneconomical, expensive and impractical for large scale use.
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.
This brings us back to all the talk on high-temperature superconductors and though this system still needed to be cooled to 1.7 degrees Celsius, producing and using graphene for large projects looks achievable now by investigating its unconventional superconductivity. Unlike conventional superconductors graphene’s activity cannot be explained by the mainstream theory of superconductivity. Such unconventional activity has been seen in complex copper oxides called cuprates, known to conduct electricity at up to 133 degrees Celsius, and has been the focus of research for multiple decades. Though, unlike these cuprates, a stacked graphene system is quite simple and the material is also understood better. Only now graphene has been discovered as a pure superconductor, but the material in itself has many outstanding capabilities which are previously known. This work paves way for a stronger role of graphene and development of high-temperature superconductors that are environment-friendly and more energia efficient and most importantlyfunction at room temperature eliminating the need for expensive cooling. This could revolutionize energy transmission, research magnets, medical devices especially scanners and could really overhaul how energy is transmitted in our homes and offices.
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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
