Os físicos pretendem fazer materiais práticos que conduzam eletricidade com resistência zero
Por décadas, os cientistas buscaram um supercondutor em temperatura ambiente. Agora que eles finalmente encontraram um, a busca por um material ainda melhor começou.
Até o ano passado, todos os supercondutores conhecidos – materiais que conduzem eletricidade sem resistência – tinham que ser resfriados, muitos a temperaturas extremamente baixas, tornando-os impraticáveis para uso na maioria dos dispositivos eletrônicos. Em 2020, o físico Ranga Dias e colegas relataram que um composto de carbono, enxofre e hidrogênio era supercondutor à temperatura ambiente. Mas a necessidade de resfriamento foi trocada por outro requisito impraticável: o material teve que ser triturado até 267 gigapascais, mais de dois milhões de vezes a pressão atmosférica da Terra.
Agora, os cientistas estão elaborando estratégias para aliviar o aperto, talvez até reduzindo as pressões aos níveis atmosféricos. “Isso é o que realmente queremos fazer”, diz Dias, da University of Rochester, em Nova York.
Um supercondutor que opera em temperatura ambiente e pressão atmosférica poderia ser integrado em uma ampla variedade de dispositivos eletrônicos, permitindo computadores aprimorados e trens levitantes avançados e economizando grandes quantidades de energia na rede elétrica.
Mas como encontrar supercondutores que operam próximos à temperatura ambiente e exigem menos pressão? “Acho que agora essa é a grande questão remanescente no campo”, disse a física Lilia Boeri, da Universidade Sapienza de Roma, em 16 de março, em uma reunião online da American Physical Society. Durante a reunião, vários grupos de físicos relataram ter progredido.
Procurando por supercondutores
Para encontrar o próximo grande supercondutor, é útil saber por onde começar a caçar. Os cientistas estão usando cálculos de computador para determinar teoricamente as estruturas e propriedades dos materiais e orientar a pesquisa, disse a química teórica Eva Zurek em 16 de março na reunião. Essa estratégia valeu a pena no passado. “A teoria desempenhou um papel muito importante, em alguns casos, prevendo essas estruturas antes de serem feitas”, disse Zurek, da Universidade de Buffalo, em Nova York. Por exemplo, tais previsões levaram os pesquisadores a um composto de lantânio e hidrogênio que foi descoberto em 2018 como sendo supercondutor em temperaturas recordes de até cerca de cerca de 13 ° Celsius.
Agora, as previsões guiaram os cientistas a supercondutores feitos de ítrio e hidrogênio, Dias relatou em 18 de março na reunião da APS, em trabalho feito em colaboração com Zurek. Supercondutor a até cerca de -11 ° C, o supercondutor de ítrio-hidrogênio de Dias é um dos supercondutores de temperatura mais alta conhecidos. Embora o supercondutor de carbono, enxofre e hidrogênio de Dias ainda seja o detentor do recorde de temperatura, o novo material requer uma pressão significativamente mais baixa – embora com 182 gigapascais, ainda não seja um aperto simples. Dias e Zurek também relataram seus resultados em 19 de março na Physical Review Letters.
A lista de detentores de recordes de alta temperatura é dominada por supercondutores ricos em hidrogênio. Espera-se que o hidrogênio puro se torne um metal quando comprimido, um que seria um supercondutor à temperatura ambiente. Mas esse hidrogênio metálico exige pressões tão extremas que é difícil de criar. Ao adicionar outro elemento, como lantânio ou ítrio, os cientistas criaram supercondutores que funcionam de forma semelhante ao elusivo hidrogênio metálico, mas em pressões mais baixas.
Cálculos teóricos agora exploraram todas as combinações de hidrogênio e qualquer outro elemento único, procurando prováveis supercondutores. A nova fronteira calcula combinações de dois elementos com o hidrogênio, como o composto carbono-enxofre-hidrogênio que Dias encontrou experimentalmente. Mas essa tarefa apresenta um desafio adicional: muitos pares de elementos para escolher. “Vai explodir na nossa cara o número de combinações possíveis”, diz Zurek. Ainda assim, um estudo já sugeriu que essa técnica terá sucesso em reduzir a pressão.
Estudando novos materiais
Uma combinação de lantânio, boro e hidrogênio pode ser supercondutora em pressões mais baixas, Boeri e seus colegas relataram na reunião e em um artigo publicado em 22 de fevereiro em arXiv.org. A estrutura química é semelhante à do supercondutor 2018 feito de lantânio e hidrogênio, onde uma gaiola de átomos de hidrogênio circunda um átomo de lantânio. No novo composto, os átomos de boro preenchem algum espaço vazio adicional ao redor da gaiola. Isso fornece uma pressão química extra, disse Boeri, o que significa que, se o material fosse criado em laboratório, poderia reter sua supercondutividade mesmo quando a pressão externa fosse de apenas 40 gigapascais. A temperatura prevista necessária é mais baixa, em -147 ° C, mas ainda é relativamente quente em comparação com a maioria dos supercondutores.
“Na verdade, ficamos muito surpresos com o fato de que funcionaria dessa forma”, diz Boeri. Normalmente, os químicos esperariam que o boro formasse ligações com o hidrogênio, em vez de simplesmente agir como penetra na gaiola de hidrogênio. Mas a química sob pressão quebra as regras normais.
É por isso que os cálculos são tão importantes na busca de supercondutores, diz Zurek. Os métodos computacionais de busca de novos materiais sob pressão podem encontrar estruturas que a intuição normal, com base na química à pressão ambiente, não teria concebido. Bancos de dados de estruturas químicas não incluiriam esses materiais, “nem nossa imaginação química poderia ter sonhado com eles antes de encontrá-los no computador”, disse ela.
Em sua palestra, Dias deu dicas sobre outro novo material que seu grupo descobriu que é supercondutor em temperatura ambiente e com pressão significativamente mais baixa, em torno de 20 gigapascais. Mas ele ainda não pode falar sobre isso devido a um pedido de patente pendente.
Os cientistas estão entusiasmados com os novos desenvolvimentos na pesquisa de supercondutores. “Esta é a coisa mais emocionante que está acontecendo no momento na ciência”, disse o físico Graeme Ackland, da Universidade de Edimburgo, que moderou uma das sessões do encontro.
Dias prevê um futuro em que os vendedores da loja de ferragens perguntarão: “‘Você quer um fio supercondutor ou quer fios normais?'”, Disse ele. “Queremos que chegue a esse nível.”
Publicado em 21/03/2021 12h37
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