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Grafeno: un salto gigante hacia los superconductores de temperatura ambiente

CIENCIASQUÍMICAGrafeno: un salto gigante hacia los superconductores de temperatura ambiente

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 es un material que puede conducir (transmitir) electricidad sin resistencia. Esta resistencia se define como alguna pérdida de energía que se produce durante el proceso. Entonces, cualquier material se vuelve superconductor cuando es capaz de conducir electricidad, a esa 'temperatura' o condición particular, sin liberación de calor, sonido o cualquier otra forma de energía. Los superconductores son 100 por ciento eficientes, pero la mayoría de los materiales requieren estar en un estado de energía extremadamente bajo para volverse superconductores, lo que significa que tienen que estar muy fríos. La mayoría de los superconductores deben enfriarse con helio líquido a una temperatura muy baja de aproximadamente -270 grados Celsius. Por lo tanto, cualquier aplicación superconductora generalmente se combina con algún tipo de enfriamiento criogénico / de baja temperatura activo o pasivo. Este procedimiento de enfriamiento requiere una cantidad excesiva de energía en sí mismo y el helio líquido no solo es muy caro sino que tampoco es renovable. Por lo tanto, la mayoría de los superconductores convencionales o de “baja temperatura” son ineficientes, tienen sus límites, son antieconómicos, caros y poco prácticos para su uso a gran escala.

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 superconductor, 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.

Esto nos lleva de vuelta a toda la charla sobre superconductores de alta temperatura y, aunque este sistema todavía necesitaba enfriarse a 1.7 grados Celsius, la producción y el uso de grafeno para grandes proyectos parece alcanzable ahora mediante la investigación de su superconductividad no convencional. A diferencia de los superconductores convencionales, la actividad del grafeno no puede explicarse mediante la teoría dominante de la superconductividad. Esta actividad poco convencional se ha observado en óxidos de cobre complejos llamados cupratos, conocidos por conducir la electricidad hasta 133 grados Celsius, y ha sido el foco de investigación durante varias décadas. Sin embargo, a diferencia de estos cupratos, un sistema de grafeno apilado es bastante simple y el material también se comprende mejor. Solo ahora se ha descubierto que el grafeno es un superconductor puro, pero el material en sí mismo tiene muchas capacidades sobresalientes que se conocían anteriormente. Este trabajo allana el camino para un papel más fuerte del grafeno y el desarrollo de superconductores de alta temperatura que son amigables con el medio ambiente y más eficientes energéticamente y, lo más importante, funcionan a temperatura ambiente, eliminando la necesidad de un enfriamiento costoso. Esto podría revolucionar la transmisión de energía, los imanes de investigación, los dispositivos médicos, especialmente los escáneres, y podría realmente modificar la forma en que se transmite la energía en nuestros hogares y oficinas.

***

{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

Equipo SCIEU
Equipo SCIEUhttps://www.ScientificEuropean.co.uk
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