O que um supercondutor de temperatura ambiente significaria para o setor de energia

Prévia do material em texto

1/4
O que um supercondutor de temperatura ambiente
significaria para o setor de energia?
Embora os supercondutores não sejam considerados um material energético, as economias de energia
decorrentes da transmissão e distribuição de eletricidade sem resistência são potencialmente maciças
quando consideradas em escala global.
Reimpresso/adaptado com permissão de Semenok, D., et al. J. A J. Phys (em inglês). Chem. Lett. (em
inglês). 9, 1920-1926. Direitos autorais (2018) American Chemical Society
A resistência elétrica de um material decorre da dispersão de elétrons de corrente por fônons. Ao
acoplhar os elétrons como pares aos fônons, o processo de dispersão responsável pela resistência pode
ser eliminado. Esta é a essência do modelo de supercondutividade de 1957 de Bardeen, Cooper e
Schrieffer (BSC), a saber, a condutividade elétrica livre de resistência possibilitada por pares de Cooper
renomados.
A possibilidade de um supercondutor de temperatura ambiente foi injetada pela primeira vez na psique
da ciência em 1964 por William A. Pouco, que imaginou os pares de elétrons ligados a Coulomb em
polímeros orgânicos condutores, conhecidos como excitons, também poderia mediar o emparelhamento
de elétrons.
Embora os supercondutores não sejam considerados um material energético, as economias de energia
decorrentes da transmissão e distribuição de eletricidade sem resistência são potencialmente maciças
quando consideradas em escala global. De fato, a realização prática da supercondutividade da
2/4
temperatura ambiente foi estimada para reduzir as perdas de energia em cabos e transformadores de
cobre e alumínio em 7% nos sistemas de transmissão e distribuição de energia elétrica mundial.
A energia também poderia ser economizada incorporando supercondutores de temperatura ambiente em
usinas de geração de eletricidade, armazenando energia elétrica como correntes persistentes em loops
magnéticos supercondutores, empregando ferrovias levenciadas magneticamente como alternativa ao
transporte aéreo e rodoviário, usando motores de propulsão supercondutores para transporte marítimo e
melhorando a eficiência energética dos computadores quânticos com circuito lógico digital de junção
Josephson supercondutor. Se os supercondutores de temperatura ambiente se tornassem uma
realidade, a economia de energia seria um facilitador significativo da transição energética para um futuro
sustentável.
O campo da supercondutividade tem uma longa e fascinante história que surgiu com a descoberta de
1911 por Heike Kamerlingh Onnes, que observou que o mercúrio perde sua resistência elétrica em
temperaturas líquidas de hélio, conhecida como a temperatura crítica Tc.
Estrutura de supercondutor SH3. Crédito da
imagem: Mikhail Eremets ACS Central
Science/C&EN
Uma explosão de atividade na busca por materiais supercondutores com temperaturas mais altas Tc
ensulou-se, e atividade intensa no campo hoje continua a procurar o material de grão sagrado que exibe
supercondutividade à temperatura ambiente e pressão ambiente.
Com muitas classes diferentes de concorrentes inorgânicos e orgânicos competindo na corrida para o
supercondutor de temperatura ambiente, existe um enorme espaço químico de combinações dos
elementos da tabela periódica para trabalhar. A descoberta da classe de materiais cerâmicos de óxido
de cobre de alto T c e ítrio barium óxido de cobre de óxido de óxido de óxido de ítrio representou um
marco que impulsionou muito o otimismo de que um supercondutor de temperatura ambiente era um
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acscentsci.8b00817
3/4
objetivo realista, embora com essa classe de materiais de materiais, a busca parece ter parado com o T
c -140oC, o supercondutor de pressão ambiente HgBa 2 Cu 3 3 8 +x.
Na busca contínua por um supercondutor T c mais alto, o entusiasmo dos materiais foi reacendido pela
previsão inspiradora de Neil Ashcroft em 1968 de que os átomos de hidrogênio sob pressão seriam
metálicos e exibiriam supercondutividade à temperatura ambiente ou superior. Embora as altas pressões
para alcançar essa fase de hidrogênio metálico parecessem inatingíveis, Ashcroft fez outra previsão em
2004 de que os hidretos metálicos poderiam se comportar de forma semelhante, e a pesquisa acelerou
novamente.
A justificativa para Ashcroft visando hidretos metálicos como supercondutores Tc altos é baseada em três
princípios-chave da teoria do BSC que identificam materiais altos de T c com altas frequências de fônon,
alta densidade de elétrons de estados perto do nível de energia de Fermi e forte acoplamento elétron-
fão-eletrom para favorecer os portadores atuais do par Cooper.
O avanço surgiu com a SH 3 formada sob pressão de H 2 S, primeiro prevista computacionalmente e
posteriormente comprovada experimentalmente para ter Tc - 70oC a 155 GPa. A estrutura da SH 3 é
mostrada na figura, onde uma estrutura ReO 3 é reconhecida com S no Re e H nos locais O.
Estrutura de supercondutor LaH 10. Crédito da imagem: Russell
Hemley ACS Central Science/C&EN
Uma enxurrada de atividade seguiu esse avanço com uma tabela periódica de supercondutores de
hidreto metálico, que foram previstos computacionalmente e verificados experimentalmente. Aqueles
com T c -70oC incluem CaH 6, YH 6 e ThH 10 em 100 GPa ou superior. Alguns desses materiais foram
previstos para serem supercondutores de temperatura ambiente, embora sob pressão.
Os clatratos ricos em hidrogênio de terras raras estão começando a aparecer com destaque nessas
investigações, com estruturas baseadas em gaiolas covalentes ligadas a hidrogênio-hidrogênio e átomos
de terras raras ocupando os centros de gaiola. Um exemplo é a classe de estrutura sodalita
exemplificada por YH 10 e LaH 10 com gaiolas H 32 e T c ? +30oC a 400 GPa e +32-53oC a 250 GPa/+1-
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acscentsci.8b00817
4/4
13oC a 210 GPa, respectivamente, figura. O LaH 10 demonstrou experimentalmente ter Tc na faixa de
-13 a -23oC.
Como as coisas estão hoje, parece que princípios simples derivados da teoria BCS, que estão guiando
pesquisas de materiais computacionais maciços e reduzidas à prática experimentalmente, podem
mostrar o caminho para o sonho do supercondutor de temperatura ambiente e pressão ambiente.
Geoffrey OzinTradução
Solar Fuels Group, Universidade de Toronto Ontario, Canadá, E-mail: g.ozin-utoronto.ca, Sites:
www.nanowizard.info, www.solarfuels.utoronto.ca, www.artnanoinnovations.com.
Referências :
Oganov, Artem R., et al. A previsão da estrutura impulsiona a descoberta de materiais, Nature Reviews
Materiais (2019). DOI: 10.1038/s41578-019-0101-8
Lemonick, Sam. Caçando para o próximo supercondutor de alta temperatura, A CS Cent. Sci. (2018)
DOI:10.1021/acscentsci.8b00817Tradução
ASN WeeklyTradução
Inscreva-se para receber nossa newsletter semanal e receba as últimas notícias científicas diretamente
na sua caixa de entrada.
ASN WeeklyTradução
Inscreva-se no nosso boletim informativo semanal e receba as últimas notícias científicas.
https://undefined/mailto:g.ozin@utoronto.ca
http://www.nanowizard.info/
http://www.solarfuels.utoronto.ca/
http://www.artnanoinnovations.com/
https://www.nature.com/articles/s41578-019-0101-8
https://www.nature.com/articles/s41578-019-0101-8
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acscentsci.8b00817