Os físicos alcançaram um objetivo há muito almejado. O problema é que seu supercondutor à temperatura ambiente requer pressões de esmagamento para não se desintegrar.
Uma equipe de físicos em Nova York descobriu um material que conduz eletricidade com eficiência perfeita em temperatura ambiente – um marco científico há muito procurado. O composto de hidrogênio, carbono e enxofre opera como um supercondutor em até 59 graus Fahrenheit, a equipe relatou hoje na Nature. Isso é mais de 50 graus mais quente do que o recorde anterior de supercondutividade de alta temperatura estabelecido no ano passado.
“Esta é a primeira vez que podemos realmente afirmar que a supercondutividade à temperatura ambiente foi encontrada”, disse Ion Errea, um teórico da matéria condensada da Universidade do País Basco, na Espanha, que não esteve envolvido no trabalho.
“É claramente um marco”, disse Chris Pickard, cientista de materiais da Universidade de Cambridge. “Essa é uma sala fria, talvez uma cabana vitoriana britânica”, disse ele sobre a temperatura de 59 graus.
No entanto, enquanto os pesquisadores comemoram a conquista, eles enfatizam que o composto recém-descoberto – criado por uma equipe liderada por Ranga Dias da Universidade de Rochester – nunca encontrará seu caminho em linhas de energia sem perdas, trens de alta velocidade sem atrito ou qualquer uma das tecnologias revolucionárias isso poderia se tornar onipresente se o frágil efeito quântico subjacente à supercondutividade pudesse ser mantido em condições verdadeiramente ambientais. Isso porque a substância superconduta à temperatura ambiente apenas enquanto é esmagada entre um par de diamantes a pressões de cerca de 75% tão extremas quanto as encontradas no núcleo da Terra.
“As pessoas sempre falam sobre a supercondutividade em temperatura ambiente”, disse Pickard. “Eles podem não ter percebido que, quando o fizemos, íamos fazê-lo sob pressões tão altas.”
Os cientistas de materiais agora enfrentam o desafio de descobrir um supercondutor que opere não apenas em temperaturas normais, mas também sob as pressões diárias. Certas características do novo composto aumentam a esperança de que algum dia a mistura certa de átomos possa ser encontrada.
A resistência elétrica ocorre em fios normais quando elétrons com fluxo livre colidem com os átomos que constituem o metal. Mas os pesquisadores descobriram em 1911 que, em baixas temperaturas, os elétrons podem induzir vibrações na rede atômica de um metal e essas vibrações, por sua vez, unem os elétrons em pares conhecidos como pares de Cooper. Regras quânticas diferentes governam esses pares, que fluem juntos em um enxame coerente que atravessa a estrutura do metal desimpedida, sem experimentar qualquer resistência. O fluido supercondutor também expulsa campos magnéticos – um efeito que poderia permitir que veículos levitando magneticamente flutuassem sem atrito sobre trilhos supercondutores.
Conforme a temperatura de um supercondutor aumenta, no entanto, as partículas balançam aleatoriamente, quebrando a dança delicada dos elétrons.
Os pesquisadores passaram décadas procurando por um supercondutor cujo tango Cooper pareia forte o suficiente para suportar o calor do ambiente cotidiano. Em 1968, Neil Ashcroft, um físico de estado sólido da Universidade Cornell, propôs que uma rede de átomos de hidrogênio resolveria o problema. O tamanho diminuto do hidrogênio permite que os elétrons se aproximem dos nós da rede, aumentando suas interações com as vibrações. A leveza do hidrogênio também permite que as ondulações guias vibrem mais rápido, fortalecendo ainda mais a cola que une os pares de Cooper.
São necessárias pressões impraticamente altas para espremer o hidrogênio em uma rede metálica. Ainda assim, o trabalho de Ashcroft aumentou as esperanças de que algum “hidreto” – uma mistura de hidrogênio e um segundo elemento – pode entregar a supercondutividade do hidrogênio metálico a pressões mais acessíveis.
O progresso decolou na década de 2000, quando as simulações de supercomputadores permitiram que os teóricos predissem as propriedades de vários hidretos, e o uso generalizado de bigornas de diamante compacto permitiu que os experimentalistas pressionassem os candidatos mais promissores para testar seu valor.
De repente, os hidretos começaram a bater recordes. Uma equipe na Alemanha mostrou em 2015 que uma forma metálica de sulfeto de hidrogênio – um composto pungente encontrado em ovos podres – supercondutos a -94 graus Fahrenheit abaixo de 1,5 milhão de vezes a pressão da atmosfera. Quatro anos depois, o mesmo laboratório usou hidreto de lantânio para atingir -10 graus abaixo de 1,8 milhão de atmosferas, mesmo quando outro grupo encontrou evidências de supercondutividade no mesmo composto a 8 graus.
O laboratório de Dias em Rochester já quebrou esses registros. Guiado pela intuição e cálculos aproximados, a equipe testou uma variedade de compostos de hidrogênio em busca da proporção do hidrogênio em goldilocks. Adicione muito pouco hidrogênio e um composto não superconduzirá de forma tão robusta quanto o hidrogênio metálico. Adicione muito e a amostra agirá como hidrogênio metálico, metalizando apenas em pressões que quebrarão sua bigorna de diamante. Ao longo de sua pesquisa, a equipe pegou muitas dezenas de pares de diamantes de $ 3.000. “Esse é o maior problema com nossa pesquisa, o orçamento de diamantes”, disse Dias.
A receita vencedora provou ser um riff da fórmula de 2015. Os pesquisadores começaram com sulfeto de hidrogênio, adicionaram metano (um composto de carbono e hidrogênio) e assaram a mistura com um laser.
“Fomos capazes de enriquecer o sistema e introduzir apenas a quantidade crítica certa de hidrogênio necessária para manter esses pares Cooper em temperaturas muito altas”, disse Ashkan Salamat, colaborador de Dias e físico de matéria condensada na Universidade de Nevada, Las Vegas.
Mas os detalhes da poção de hidrogênio-carbono-enxofre que eles prepararam os iludem. O hidrogênio é muito pequeno para aparecer em sondas tradicionais de estrutura de rede, então o grupo não sabe como os átomos estão dispostos, ou mesmo a fórmula química exata da substância.
Eva Zurek, uma química computacional da Universidade de Buffalo, pertence a um grupo de teóricos vagamente afiliados ao laboratório de Dias. No início deste ano, eles previram as condições sob as quais um metal que poderia ter se formado entre as bigornas de diamante deveria superconduzir, e eles encontraram um comportamento diferente. Ela suspeita que as altas pressões transformaram a substância de Dias em uma forma desconhecida, cuja supercondutividade é especialmente robusta.
Assim que o grupo de Dias puder descobrir exatamente o que eles têm em mãos (detalhes que ele e Salamat dizem que virão em breve), os teóricos irão construir modelos explorando as características que dão a esta mistura de hidrogênio-carbono-enxofre seu poder supercondutor, na esperança de modificando ainda mais a receita.
Os físicos provaram que a maioria dos híbridos de hidrogênio de dois elementos são becos sem saída, mas a nova mistura de três elementos marca um avanço potencialmente significativo no mundo dos materiais quiméricos complexos. Um dos elementos envolvidos parece particularmente promissor para alguns.
“O que eu gosto neste trabalho: eles trazem carbono para o sistema”, disse Mikhail Eremets, um experimentalista do Instituto Max Planck de Química na Alemanha, cujo laboratório estabeleceu os recordes de hidreto de 2015 e 2019.
Ele explicou que a leveza do hidrogênio não é a única maneira de aumentar as vibrações que conduzem os elétrons aos pares de Cooper. Ligações mais fortes entre átomos vizinhos na rede também ajudam e, disse ele, “o carbono tem ligações covalentes muito fortes”. Os materiais com armações de carbono podem trazer o benefício adicional de evitar que todo o conjunto desmorone nas baixas pressões que os humanos consideram confortáveis.
Zurek concorda. “Achei que a pressão da sala seria muito desafiadora”, disse ela. “Mas se pudermos trazer compostos de carbono para a mistura, acho que isso representa um caminho a seguir”.
Publicado em 16/10/2020 11h44
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