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Nuevos Materiales

Prueba de calidad

Físicos de la Unicamp confirman las propiedades de un material supercondutor

Investigadores del Instituto de Física de la Universidad Estadual de Campinas (Unicamp) fueron los primeros en medir y describir una característica importante del diboruro de magnesio (MgB2), identificado en enero de este año como un superconductor y ahora con interesantes perspectivas para transformarse en el material dominante en el sector en los próximos años. El equipo paulista, encabezado por Oscar Ferreira de Lima, demostró que dicho material exhibe un valor relativamente bajo para un parámetro definido técnicamente como anisotropía.

En otras palabras, esto quiere decir que los físicos comprobaron que las propiedades superconductoras del diboruro – incluso su capacidad de transmitir corriente eléctrica con resistencia cero, sin pérdida de energía en forma de calor – son casi totalmente uniformes, variando ligeramente de acuerdo a la dirección del espacio en que se manifiestan.

Esto significa que los electrones fluyen de manera más o menos similar en cualquier dirección de un cristal de MgB2, tanto al largo de su eje vertical como en el eje horizontal. A decir verdad, existe una diferencia de alrededor de un 70% en la capacidad de transmitir corriente entre los dos ejes, siendo el plano horizontal el más eficiente. Entre los superconductores, a una disparidad de ese orden no se la considera elevada. “En las cerámicas superconductoras, la anisotropia suele ser mucho mayor”, dice Lima.

“En algunos compuestos, la corriente creada en una dirección puede ser hasta 200 veces mayor que en la otra”. Las mediciones son de extrema valía para las empresas y universidades interesadas en elaborar productos con el nuevo superconductor, al mostrar que la anisotropia del MgB2 no compromete su potencial de conducir altas corrientes. Los resultados del trabajo fueron relatados al final de junio en Physical Review Letters, una de las más prestigiosas revistas científicas de física.

Desde el comienzo de este año, cuando el investigador japonés Jun Akimitsu, de la Universidad Aoyama Gakuin, anunció que el casi olvidado diboruro de magnesio, descubierto en 1953, se comportaba como superconductor cuando era enfriado a -234 grados Celsius, físicos de todo el mundo empezaron a estudiar el material detalladamente. Este interés tiene dos motivos: el MgB2 es el compuesto intermetálico con temperatura crítica (Tc) – límite debajo del cual un material pasa a conducir corriente con resistencia cero – más elevada que se conoce, y su costo de producción es menor que el de los superconductores a base de niobio, actualmente los más utilizados en aplicaciones tales como aparatos de tomografía por resonancia magnética. “El diboruro de magnesio no es un material revolucionario”, analiza Lima. “Pero es posible que pueda sustituir con algunas ventajas a los superconductores actualmente en uso.”

Hasta la entrada en escena del diboruro, los físicos creían que no había mucho más para descubrir en términos de superconductores hechos exclusivamente con metales. Las investigaciones con este tipo de material parecían haber llegado a su límite. Como no lograban descubrir compuestos o aleaciones superconductoras con Tc más altas, a partir de la segunda mitad de la década del 80 los esfuerzos se volcaron sobre las cerámicas superconductoras, compuestos no metálicos capaces de transmitir corriente con resistencia cero a temperaturas más elevadas.

Una visión renovada
La llegada del diboruro de magnesio modificó este escenario. Nadie esperaba que la novedad más importante se escondiera en un compuesto tan simple como el MgB2: sus átomos de boro, a ejemplo de los de carbono en el grafito, forman estructuras hexagonales, separadas por una capa de átomos de magnesio. De repente, los laboratorios comenzaron nuevamente a ver con buenos ojos los estudios con materiales hechos exclusivamente con metales.

Ni bien supo del descubrimiento de la superconductividad en el compuesto a base de magnesio y boro, Lima reunió a tres alumnos de doctorado y un técnico de laboratorio y les expuso su plan de acción. Si trabajaran rápido, podrían ser los primeros en probar si el MgB2 era isotrópico o anisotrópico, una duda que se cernía en aquel momento. El diboruro de magnesio es vendido comercialmente en polvo, pero para obtener cristales de alta pureza, los investigadores de la Unicamp optaron por producir el compuesto en el propio local.

Compraron fragmentos de boro y magnesio y los colocaron en un tubo cerrado en un horno a 1.200 grados Celsius. Sintetizaron el MgB2 en la forma sólida y lo molieron hasta que se convirtió en un polvo muy fino, filtrado en un colador que solo dejaba pasar granos – cristales – de entre 5 y 20 micrones (un micrón equivale a la milésima parte de un milímetro). Al final, los cristales microscópicos fueron esparcidos mecánicamente sobre ambos lados de una hoja de papel texturado (Canson), que generalmente es utilizado por los artistas.

Fue justamente sobre un minúsculo pedazo de esa hoja revestida que se realizaron las mediciones que constataron una suave anisotropía en el MgB2. Al pintar el papel con el polvo de diboruro, los investigadores lograron producir un alineamiento perfecto de los cristales de MgB2. Todos se encajaban de la misma manera en los poros del papel, creando las condiciones ideales para aplicar campos magnéticos sobre la muestra y determinar el valor de la corriente eléctrica en varias direcciones del compuesto.

“Un material es anisotrópico porque no es homogéneo a nivel microscópico”, afirma Lima. “Observando en diferentes direcciones en el interior de un cristal, vemos paisajes distintos”. La imagen generada por microscopía electrónica de la muestra permite visualizar cada grano del material sobre el papel y el intervalo espacial entre ellos. “Realicé mediciones en pleno Carnaval”, recuerda Lima. Los físicos comenzaron a estudiar el MgB2 el día 10 de febrero, como desdoblamiento de un proyecto temático coordinado por José Antonio Sanjurjo. Veinte días después, ya tenían el resultado en sus manos.

Hilos aún pequeños
A pesar de contar con un buen potencial de transmisión de corriente, el diboruro de magnesio deberá vencer algunas restricciones para afirmarse como una alternativa a los superconductores usados comercialmente en la actualidad. “Como los demás compuestos metálicos, el diboruro de magnesio debe ser enfriado con helio líquido, mediante un proceso relativamente caro, para exhibir sus propiedades superconductoras”, dice Lima. Otra desventaja: a diferencia de otros superconductores metálicos, el diboruro es quebradizo, un defecto típico de las cerámicas, lo que dificulta la producción de alambres conductores.

Dificulta, pero no inviabiliza, a juzgar por los resultados obtenidos por los físicos del Laboratorio Ames, en Estados Unidos. Los investigadores del referido centro ya han logrado fabricar alambres de MgB2 de hasta 5 centímetros. Es un resultado modesto. No obstante, los científicos esperan encontrar en breve medios para confeccionar filamentos de diboruro más largos.

El Proyecto
Estudio de Materiales Superconductores
Modalidad
Proyecto temático
Coordinador
José Antonio Sanjurjo – Instituto de Física de la Unicamp
Inversiones
R$ 221.250,00 y US$ 530.900,00

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