Un estudio innovador reciente ha demostrado las propiedades únicas del material grafeno para una posibilidad a largo plazo de finalmente desarrollar superconductores económicos y prácticos de usar.
A superconductor is a material which can conduct (transmit) electricidad without resistance. This resistance is defined as some loss of energía 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 energía 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.
Superconductores de alta temperatura
El campo de los superconductores dio un gran salto a mediados de la década de 1980 cuando se descubrió un compuesto de óxido de cobre que podía superconducir a -238 grados Celsius. Esto todavía es frío, pero mucho más cálido que las temperaturas del helio líquido. Este fue conocido como el primer "superconductor de alta temperatura" (HTC) jamás descubierto, ganando el premio Nobel, aunque es "alto" sólo en un sentido relativo mayor. Por lo tanto, a los científicos se les ocurrió que podrían centrarse en encontrar eventualmente superconductores que funcionen, digamos con nitrógeno líquido (-196 ° C), que tiene la ventaja de que está disponible en abundancia y también es barato. Los superconductores de alta temperatura también tienen aplicaciones donde se requieren campos magnéticos muy altos. Sus contrapartes de baja temperatura dejan de funcionar en alrededor de 23 teslas (tesla es una unidad de fuerza de campo magnético) por lo que no se pueden usar para hacer imanes más fuertes. Pero los materiales superconductores de alta temperatura pueden funcionar en más del doble de ese campo, y probablemente incluso más alto. Dado que los superconductores generan grandes campos magnéticos, son un componente esencial en los escáneres y trenes levitantes. Por ejemplo, la resonancia magnética actual (imágenes por resonancia magnética) es una técnica que utiliza esta cualidad para observar y estudiar materiales, enfermedades y moléculas complejas del cuerpo. Otras aplicaciones incluyen el almacenamiento de electricidad a escala de red mediante líneas eléctricas de bajo consumo (por ejemplo, los cables superconductores pueden proporcionar 10 veces más energía que los cables de cobre del mismo tamaño), generadores de energía eólica y también supercomputadoras. La energía durante millones de años se puede crear con superconductores.
Los superconductores de alta temperatura actuales tienen sus propias limitaciones y desafíos. Además de ser muy costosos debido a que requieren un dispositivo de enfriamiento, estos superconductores están hechos de materiales quebradizos y no son fáciles de moldear y, por lo tanto, no pueden usarse para fabricar cables eléctricos. El material también puede ser químicamente inestable en ciertos entornos y extremadamente sensible a las impurezas de la atmósfera y el agua y, por lo tanto, generalmente debe estar revestido. Entonces solo hay una corriente máxima que los materiales superconductores pueden transportar y, por encima de una densidad de corriente crítica, la superconductividad se rompe limitando la corriente. Los enormes costos y las impracticabilidades están obstaculizando el uso de buenos superconductores, especialmente en los países en desarrollo. Los ingenieros, en su imaginación, realmente querrían un superconductor ferromagnético suave y maleable que sea impermeable a las impurezas o la corriente aplicada y los campos magnéticos. ¡Demasiado para pedir!
¡El grafeno podría serlo!
El criterio central de un superconductor exitoso es encontrar una temperatura alta superconductorr, siendo el escenario ideal la temperatura ambiente. Sin embargo, los materiales más nuevos aún son limitados y son muy difíciles de fabricar. Todavía hay un aprendizaje continuo en este campo sobre la metodología exacta que adoptan estos superconductores de alta temperatura y cómo los científicos podrían llegar a un nuevo diseño que sea práctico. Uno de los aspectos desafiantes de los superconductores de alta temperatura es que se comprende muy poco qué es lo que realmente ayuda a que los electrones de un material se emparejen. En un estudio reciente se ha demostrado por primera vez que el material grafeno tiene una calidad superconductora intrínseca y realmente podemos hacer un superconductor de grafeno en el propio estado natural del material. El grafeno, un material puramente a base de carbono, se descubrió en 2004 y es el material más delgado que se conoce. También es ligero y flexible con cada hoja compuesta de átomos de carbono dispuestos hexagonalmente. Se ve que es más fuerte que el acero y expresa una conductividad eléctrica mucho mejor en comparación con el cobre. Por lo tanto, es un material multidimensional con todas estas propiedades prometedoras.
Físicos del Instituto de Tecnología de Massachusetts y la Universidad de Harvard, EE. UU., Cuyo trabajo se publica en dos artículos1,2 in Naturaleza, han informado que son capaces de sintonizar el material grafeno para mostrar dos comportamientos eléctricos extremos: como aislante en el que no deja pasar ninguna corriente y como superconductor en el que permite que la corriente pase sin ninguna resistencia. Se creó una "superrejilla" de dos hojas de grafeno apiladas juntas giradas ligeramente en un "ángulo mágico" de 1.1 grados. Esta disposición de patrón de panal hexagonal superpuesta en particular se realizó para inducir potencialmente "interacciones fuertemente correlacionadas" entre los electrones en las hojas de grafeno. Y esto sucedió porque el grafeno podía conducir electricidad con resistencia cero en este "ángulo mágico", mientras que cualquier otra disposición apilada mantenía al grafeno como distinto y no había interacción con las capas vecinas. Mostraron una forma de hacer que el grafeno adopte una cualidad intrínseca para superconducir por sí solo. La razón por la que esto es tan relevante se debe a que, el mismo grupo había sintetizado previamente superconductores de grafeno colocando el grafeno en contacto con otros metales superconductores, lo que le permitió heredar algunos comportamientos superconductores, pero no pudo lograrlo con el grafeno solo. Este es un informe innovador porque las habilidades conductoras del grafeno se conocen desde hace un tiempo, pero es la primera vez que se logra la superconductividad del grafeno sin alterar o agregar otros materiales, por lo que el grafeno podría usarse para hacer un transistor similar dispositivo en un circuito superconductor y la superconductividad expresada por el grafeno podría incorporarse en dispositivos de electrónica molecular con nuevas 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 energía 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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{Puede leer el trabajo de investigación original haciendo clic en el enlace DOI que figura a continuación en la lista de fuentes citadas}
Fuentes)
1. Yuan C y col. 2018. Comportamiento del aislante correlacionado a medio llenado en superredes de grafeno de ángulo mágico. Naturaleza. https://doi.org/10.1038/nature26154
2. Yuan C y col. 2018. Superconductividad no convencional en superredes de grafeno de ángulo mágico. Naturaleza. https://doi.org/10.1038/nature26160
