Un estudio reciente e innovador ha demostrado las propiedades únicas del grafeno para desarrollar superconductores económicos y prácticos de utilizar.
Un superconductor es un material capaz de conducir (transmitir) electricidad sin resistencia. Esta resistencia se define como una pérdida de energía que se produce durante el proceso. Por lo tanto, un material se vuelve superconductor cuando puede conducir electricidad, a una temperatura o condición específica, sin liberar calor, sonido ni ninguna otra forma de energía. Los superconductores son 100% eficientes, pero la mayoría de los materiales requieren un estado de energía extremadamente bajo para volverse superconductores, lo que significa que deben estar muy fríos. La mayoría de los superconductores necesitan enfriarse con helio líquido a una temperatura muy baja, de aproximadamente -270 grados Celsius. Por consiguiente, cualquier aplicación superconductora generalmente se combina con algún tipo de enfriamiento criogénico o a baja temperatura, ya sea activo o pasivo. Este proceso de enfriamiento requiere una cantidad excesiva de energía, y el helio líquido no solo es muy caro, sino también un recurso no renovable. Por lo tanto, la mayoría de los superconductores convencionales o de "baja temperatura" son ineficientes, tienen sus limitaciones, resultan antieconómicos, costosos e imprácticos 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 para un superconductor exitoso es encontrar un superconductor de alta temperatura , siendo el escenario ideal la temperatura ambiente. Sin embargo, los nuevos materiales aún son limitados y su fabricación es muy compleja. En este campo, se sigue investigando la metodología exacta que emplean estos superconductores de alta temperatura y cómo los científicos podrían llegar a un nuevo diseño práctico. Uno de los aspectos más desafiantes de los superconductores de alta temperatura es que aún se desconoce en gran medida 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 grafeno posee cualidades superconductoras intrínsecas y que es posible crear un superconductor de grafeno en su estado natural. El grafeno, un material puramente basado en carbono, fue descubierto en 2004 y es el material más delgado conocido. Además, es ligero y flexible, con cada lámina compuesta por átomos de carbono dispuestos hexagonalmente. Se ha observado que es más resistente que el acero y presenta una conductividad eléctrica mucho mejor que la del cobre. Por lo tanto, es un material multidimensional con todas estas prometedoras propiedades.
Físicos del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) y de la Universidad de Harvard (EE. UU.), cuyo trabajo se publica en dos artículos¹² en Nature , han informado que son capaces de ajustar el grafeno para que muestre dos comportamientos eléctricos extremos: como aislante, impidiendo el paso de corriente, y como superconductor, permitiendo el paso de corriente sin resistencia alguna. Crearon una "superred" de dos láminas de grafeno apiladas y ligeramente rotadas en un "ángulo mágico" de 1.1 grados. Esta disposición hexagonal superpuesta, con patrón de panal, se realizó para inducir potencialmente "interacciones fuertemente correlacionadas" entre los electrones de las láminas de grafeno. Esto se confirmó, ya que el grafeno podía conducir electricidad con resistencia cero en este "ángulo mágico", mientras que cualquier otra disposición apilada mantenía el grafeno como un material independiente y no había interacción con las capas vecinas. Demostraron así una forma de lograr que el grafeno adquiera la capacidad intrínseca de ser superconductor por sí mismo. La relevancia de este hallazgo radica en que el mismo grupo había sintetizado previamente superconductores de grafeno al ponerlo en contacto con otros metales superconductores, lo que le permitió heredar ciertas propiedades superconductoras, algo que no habían logrado con el grafeno solo. Este es un informe revolucionario, ya que si bien las propiedades conductoras del grafeno se conocen desde hace tiempo, es la primera vez que se logra su superconductividad sin alterarlo ni añadirle otros materiales. Por lo tanto, el grafeno podría utilizarse para fabricar un dispositivo similar a un transistor en un circuito superconductor, y la superconductividad que presenta podría incorporarse a dispositivos de electrónica molecular con funcionalidades novedosas.
Esto nos lleva de nuevo a todo el debate sobre los superconductores de alta temperatura, y aunque este sistema aún necesitaba enfriarse a 1.7 grados Celsius, la producción y el uso de grafeno para grandes proyectos parecen ahora factibles gracias a la investigación de su superconductividad no convencional. A diferencia de los superconductores convencionales, la actividad del grafeno no puede explicarse mediante la teoría convencional de la superconductividad. Dicha actividad no convencional se ha observado en óxidos de cobre complejos llamados cupratos, conocidos por conducir electricidad hasta 133 grados Celsius, y ha sido objeto 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. Recién ahora se ha descubierto que el grafeno es un superconductor puro, pero el material en sí mismo posee muchas capacidades extraordinarias que ya se conocían. Este trabajo allana el camino para un papel más importante del grafeno y el desarrollo de superconductores de alta temperatura que sean respetuosos con el medio ambiente, más eficientes energéticamente y, lo que es más importante, que funcionen a temperatura ambiente, eliminando la necesidad de una refrigeración costosa. Esto podría revolucionar la transmisión de energía, los imanes de investigación, los dispositivos médicos, especialmente los escáneres, y podría transformar radicalmente la forma en que se transmite la energía en nuestros hogares y oficinas.
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Fuentes)
1. Yuan C et al. 2018. Comportamiento aislante correlacionado a medio llenado en superredes de grafeno de ángulo mágico. Nature. https://doi.org/10.1038/nature26154
2. Yuan C et al. 2018. Superconductividad no convencional en superredes de grafeno de ángulo mágico. Nature. https://doi.org/10.1038/nature26160
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