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Materiais

Supercondutor à temperatura ambiente

Um grafite pirolítico parece comportar-se como supercondutor até a 27°C

Em maio de 1999, Yakov Kopelevich e Sérgio Moehlecke, do Instituto de Física Glleb Wataghin da Universidade Estadual de Campinas (Unicamp), faziam medições magnéticas em nanotubos de carbono e grafite quando algo inesperado aconteceu. Uma amostra de grafite extremamente puro que era usado como controle no experimento – chamado de grafite pirolítico altamente orientado e conhecido pela sigla em inglês HOPG – começou a comportar-se de forma surpreendente. Dentro de um intervalo de temperatura muito amplo, entre 2 e 300 graus Kelvin (K) – ou desde -271 até 27 graus Celsius (°C) -, ele se comportava como um supercondutor, tendo essa propriedade localizada em pequenas regiões tipo “grãos” ou “ilhas”.

Sabe-se que um material se torna supercondutor quando, abaixo de uma determinada temperatura crítica (Tc), consegue transmitir corrente elétrica com zero de resistência (perda da energia produzida, em forma de calor). Cada material tem uma Tc diferente. Até o momento, um composto de óxido de cobre, o HgBa2Ca2Cu3O8+X, tem sido considerado o supercondutor com Tc mais elevada: gélidos -109°C (164 K). O grafite pirolítico estudado na Unicamp vai extremamente além disso. Ele abrange uma ampla faixa de temperaturas ambientes comuns que vai culminar em 27°C.

Embora composto só de átomos de carbono, como o grafite comum, o HOPG tem características físicas totalmente diferentes do material que recheia os lápis. Sintetizado industrialmente em condições de temperatura de 3.000°C e pressões elevadas, é um policristal extremamente puro, composto de camadas paralelas de átomos de carbono. É usado como substrato ou na calibragem de alguns tipos de microscópio, como o de tunelamento e o de força atômica. Uma pequena amostra – com milímetros de espessura e menos de um centímetro quadrado de área – pode custar até US$ 1.000, de acordo com as especificações.

Os indícios de supercondutividade no HOPG, cujas amostras usadas no experimento inicial haviam sido trazidas da Rússia por um colega de Kopelevich, intrigaram e instigaram o pesquisador da Unicamp, que imediatamente deixou de lado os estudos com nanotubos para concentrar-se nas análises do grafite. Afinal, não havia (e ainda não há) nenhum material que comprovadamente mantenha as propriedades de supercondutor em condições minimamente próximas da temperatura ambiente, o que seria algo revolucionário. “Tivemos sorte nessa descoberta”, diz Kopelevich, que há oito anos trocou a carreira de pesquisador na Rússia pela vida acadêmica no Brasil. Uma segunda propriedade detectada no grafite HOPG foi o ferromagnetismo, fenômeno pelo qual materiais se transformam em ímãs quando expostos a um campo magnético.

Confirmação e cautela
Surpreso com o resultado do experimento, Kopelevich tratou de refazê-lo para confirmar as medições. “Conseguimos reproduzir a experiência”, afirma ele, que iniciou osestudos com grafite no projeto sobre nanotubos e continuou num projeto temático sobre supercondutores iniciado em 1994 sob a coordenação de Sérgio Moehlecke – e, a partir de 1998, de José Antonio Sanjurjo, falecido no início deste ano. Hoje, além de participar do temático, Kopelevich mantém seu projeto individual sobre um novo método para medir a resistência não-local em supercondutores (fora da região em que a corrente é aplicada).

Para avaliar esse trabalho com rigor, qualquer físico dessa área perguntaria se o HOPG apresentou o chamado efeito Meissner, uma das evidências mais fortes de que a supercondutibilidade é real. Nota-se o efeito Meissner quando, aplicado um campo magnético sobre o material, forma-se uma corrente em sua camada externa e seu interior expulsa um fluxo magnético de sentido contrário. É esse efeito que faz um ímã, com um campo magnético permanente, levitar quando colocado sobre um supercondutor. O HOPG apresentou o efeito Meissner, tal qual um supercondutor à base de bismuto com Tc de -183°C, uma temperatura crítica considerada alta pelos físicos.

Mesmo convencido de que em seu trabalho não há erro, de medição ou provocado por impurezas nas amostras de grafite, o físico optou por discrição e prudência. Em parceria com pesquisadores da Unicamp, da Universidade de Leipzig, Alemanha, e do A. F. Ioffe PhysicoTechnical Institute de São Petersburgo, Rússia, Kopelevich redigiu artigos científicos e os enviou para publicações especializadas, relatando os resultados.

De dois anos para cá, os trabalhos foram publicados em três revistas: Journal of Low Temperature Physics, Physics of The Solid StateSolid State Communications. Neles, deixa claro que em suas experiências o grafite pirolítico pareceu comportar-se como um supercondutor, mas evita afirmar categoricamente que seja, sem dúvida, um supercondutor à temperatura ambiente. “É preciso ser cuidadoso”, pondera Kopelevich.

Para embasar sua aposta nas propriedades supercondutivas do HOPG, o físico tem investido em várias frentes. Além de refazer o experimento nas mesmas lâminas de grafite pirolíticotrazidas da Rússia, mediu a supercondutividade em placas fabricadas pela empresa norte-americana Union Carbide – indício de que o fenômeno detectado não parece decorrer de uma amostra com impurezas.

Agora, ele tenta encontrar evidências de supercondutividade em monocristais de grafite. “Se conseguirmos isso, vai ficar claro que a supercondutividade é mesmo do material grafite”, comenta o pesquisador da Unicamp. Por enquanto, ainda não obteve esse tipo de registro. Flagrou apenas ferromagnetismo nos monocristais.

Caminho longo
Kopelevich acredita que o HOPG pode ser um tipode supercondutor com potencial para transmitir correntes fracas, pelo menos. E, ao contrário da maioria dos supercondutores, aparentemente não perde a capacidade de transmitir corrente com resistência zero mesmo quando apresenta ferromagnetismo, uma propriedade que precisa ser mais bem analisada.

Tudo o que ele não quer é provocar em relação às suas pesquisas com o grafite pirolítico o mesmo tipo de ceticismo despertado pelas experiências de um grupo de cientistas croatas. Sabe que o caminho pode ser longo e tortuoso e que,no fim, “o HOPG pode não ser um supercondutor tão promissor como desejamos”. Na pior das hipóteses, foi aberta uma nova linha de pesquisa.

O físico Carlos Rettori, seu colega na Unicamp, que também participa do projeto, lembra que os trabalhos com grafite pirolítico estão na verdade sendo retomados. “Há 15 anos, tínhamos realizado algumas medições com esse mesmo material”, lembra Rettori. “Agora Kopelevich está ressuscitando esse tema e nós também voltamos a estudar o material. Nossos estudos recentes demonstram sem ambigüidades a presença de ferromagnetismo itinerante no grafite e também a possibilidade da supercondutividade a alta temperatura.” Kopelevich está convencido de que existe supercondutividade à temperatura ambiente.

Avanços e promessas em 90 anos

A busca por supercondutores que funcionem a temperaturas cada vez mais altas continua a ser um grande objetivo. É enorme o potencial de uso de um hipotético material capaz de transmitir corrente elétrica com resistência zero em condições ambientais próximas daquelas em que o homem vive. Os atuais fios e cabos elétricos, por exemplo, poderiam ser substituídos por similares revestidos desse supercondutor à temperatura ambiente, com economia e maior eficiência na transmissão de energia.

Contudo, desde que foram descobertos, há 90 anos, os supercondutores têm aplicações restritas, por causa, justamente, das temperaturas baixas que exigem. Os encontrados de 15 anos para cá acumulam mais promessas que realizações: ainda não resultaram em aplicações porque é difícil fazer fios com eles. Para servirem a algum uso prático, os disponíveis no mercado têm de ser resfriados a temperaturas baixíssimas, em processos muito caros. É o caso, por exemplo, dos ímãs usados em aparelhos de ressonância magnética, feitos com ligas metálicas supercondutoras. Para que funcionem como foram concebidos, esses ímãs têm de ser resfriados abaixo do Tc da liga, por meio de imersão em hélio líquido a -269°C. Não é à toa, portanto, que se vêem com freqüência caminhões entregando hélio líquido em hospitais que usam esses aparelhos.

Depois de mais de uma década em aparente banho-maria, sem produzir nenhuma descoberta de grande impacto, neste ano a pesquisa na área voltou a esquentar em todo o mundo. Em janeiro, cientistas japoneses da Universidade Aoyama Gakuin revelaram que um conhecido composto intermetálico de magnésio e boro, o MgB2, é um supercondutor barato e eficiente quando resfriado a -234°C.

Em março, uma equipe dos Laboratórios Bell, nos Estados Unidos, mostrou ao mundo o primeiro composto plástico, o polímero politiofeno, que se comporta como supercondutor – desde que integrado a uma espécie de transistor e submetido a -270°C. Apesar de as temperaturas necessárias para transformar esses compostos em supercondutores serem extremamente baixas, as duas descobertas foram, por motivos diferentes, muito festejadas – e seriam muito mais se funcionassem à temperatura ambiente.

O MgB2 é o composto metálico estável com Tc mais alta, o que o torna candidato potencial a gerar novas ligas supercondutoras com temperatura crítica mais elevada. Kopelevich comenta: “Devido ao fato de o MgB2 ser um material isoeletrônico ao grafite, essa descoberta também motivou uma séria reconsideração das propriedades físicas do grafite. Por exemplo, G. Baskaran, um físico teórico famoso, recentemente argumentou que existem fortes correlações supercondutoras no grafite. Nossos resultados fornecem a evidência experimental de que isto realmente ocorre. Ainda sobre o MgB2, o grupo liderado pelo físico Oscar de Lima, que também faz parte do projeto temático, fez uma contribuição inédita, determinando que as propriedades supercondutoras do MgB2 dependem da direção em que um campo magnético externo é aplicado”.

O politiofeno é importante por inaugurar a família dos plásticos supercondutores, algo inusitado, já que em condições normais os polímeros não são bons condutores de eletricidade.

Se essas duas notícias foram festejadas pela comunidade científica e provocam um novo surto na pesquisa de supercondutores, uma terceira, ainda que aparentemente promissora, é vista com ressalvas. Liderado pelo cientista Danijel Djurek, um time de pesquisadores de três instituições croatas – Universidade de Zagreb, Instituto Ruder Boskovic e a companhia local Avac – diz ter ido além do que seus colegas japoneses e norte-americanos obtiveram. Eles garantem ter evidências de que um composto de prata, chumbo, carbono e oxigênio se transforma em supercondutor à temperatura ambiente. Sua Tc é, segundo os croatas, de quase inacreditáveis 70°C. Se comprovada, essa Tc permitiria ao material transmitir corrente elétrica sem resistência em qualquer ambiente natural do planeta – até nas areias escaldantes de um deserto. Como ninguém conseguiu ainda refazer a experiência de Djurek e os croatas já se enganaram uma vez nesse assunto, a possível descoberta ainda não obteve aceitação.

Os Projetos
1.
Estudo de Materiais Supercondutores; Modalidade Projeto temático; Coordenador José Antonio Sanjurjo – Instituto de Física da Unicamp; Investimento R$ 61.890,00
2. Estudo do Estado dos Vórtices em Supercondutores de Alta Temperatura através de Medidas Não-Locais (nº 99/00779-9); Modalidade Auxílio a projeto de pesquisa; Coordenador Yakov Kopelevich – Instituto de Física da Unicamp; Investimento R$ 18.989,00 e US$ 54.133,40

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