En mayo de 1999, Yakov Kopelevich y Sérgio Moehlecke, del Instituto de Física Glleb Wataghin de la Universidad Estadual de Campinas (Unicamp), realizaban mediciones magnéticas en nanotubos de carbono y grafito cuando ocurrió algo inesperado. Una muestra de grafito extremadamente puro que era usada como control en el experimento –grafito pirolítico altamente orientado y conocido por la sigla en inglés HOPG – comenzó a comportarse de manera sorprendente. Dentro de un intervalo de temperatura muy amplio, entre 2 y 300 grados Kelvin (K) – o sea, desde -271 hasta 27 grados Celsius (°C) –, el grafito se comportaba como un superconductor, con esa propiedad localizada en pequeñas regiones tipo “granos” o “islas”.
Es sabido que un material se transforma en superconductor cuando, por debajo de una determinada temperatura crítica (Tc), logra conducir una corriente eléctrica con resistencia (pérdida de energía en forma de calor) nula. Cada material tiene una Tc diferente. Hasta ahora, un compuesto de óxido de cobre, el HgBa2Ca2Cu3O8+X, había sido considerado el superconductor con Tc más elevada: gélidos -109°C (164 K). El grafito pirolítico estudiado en la Unicamp va muchísimo más allá de eso. Abarca una amplia franja de temperaturas ambientes comunes que culminan en los 27°C.
Aunque está compuesto solamente de átomos de carbono, como el grafito común, el HOPG tiene características físicas totalmente diferentes a las del material que rellena los lápices. Sintetizado industrialmente en condiciones de temperatura de 3.000°C y presiones elevadas, es un policristal extremadamente puro, compuesto de capas paralelas de átomos de carbono. Es usado como substrato o para calibrar ciertos tipos de microscopios, como el de tunelamiento y o de fuerza atómica. Una pequeña muestra –con milímetros de espesor y menos de un centímetro cuadrado de área– puede costar hasta 1.000 dólares, de acuerdo con las especificaciones.
Los indicios de supercondutividad en el HOPG, cuyas muestras usadas en el experimento inicial habían sido traídas desde Rusia por un colega de Kopelevich, intrigaron e instigaron al investigador de la Unicamp, que inmediatamente dejó de lado los estudios con nanotubos para concentrarse en los análisis del grafito. Al fin de cuentas, no había (y aún no hay) ningún material que mantenga probadamente las propiedades de superconductor en condiciones mínimamente próximas a la temperatura ambiente, lo que sería algo revolucionario. “Tuvimos suerte con ese descubrimiento”, dice Kopelevich, que hace ocho años cambió su carrera como investigador en Rusia por la vida académica en Brasil. Una segunda propiedad detectada en el grafito HOPG fue el ferromagnetismo, fenómeno por el cual ciertos materiales se transforman en imanes cuando son expuestos a un campo magnético.
Confirmación y cautela
Sorprendido con el resultado del experimento, Kopelevich intentó repetirlo para confirmar las mediciones. “Logramos reproducir la experiencia”, afirma el investigador, que inició los estudios con grafito en el marco del proyecto sobre nanotubos y lo continuó en un proyecto temático sobre superconductores iniciado en 1994 con la coordinación de Sérgio Moehlecke y, a partir de 1998, de José Antonio Sanjurjo, fallecido al comienzo de este año. Actualmente, además de participar del citado proyecto temático, Kopelevich mantiene su proyecto individual sobre un nuevo método para medir la resistencia no localizada en superconductores (fuera de la región en la que se aplica la corriente).
Para evaluar ese trabajo con rigor, cualquier físico del área preguntaría si el HOPG presentó el llamado efecto Meissner, una de las evidencias más fuertes de que la supercondutibilidad es real. El efecto Meissner aparece cuando aplicando un campo magnético sobre el material se forma una corriente en su capa externa y su interior expulsa un flujo magnético de sentido contrario. Ése es el efecto que hace que un imán con un campo magnético permanente levite cuando es colocado sobre un superconductor. El HOPG presentó el efecto Meissner, tal como un superconductor a base de bismuto con Tc de -183°C, una temperatura crítica considerada alta por los físicos (lea los gráficos).
Empero esté convencido de que en su trabajo no hay posibilidad de errores de medición o provocados por impurezas en las muestras de grafito, el físico optó por la discreción y la prudencia. En asociación con investigadores de la Unicamp, de la Universidad de Leipzig, Alemania, y del A. F. Ioffe PhysicoTechnical Institute de San Petersburgo, Rusia, Kopelevich redactó artículos científicos y los envió a las publicaciones especializadas, relatando los resultados.
En los últimos dos años los trabajos fueron publicados en tres revistas: Journal of Low Temperature Physics, Physics of The Solid State e Solid State Communications. En ellos, deja claro que en sus experiencias el grafito pirolítico pareció comportarse como un superconductor, pero evita afirmar categóricamente que sea sin lugar a dudas un superconductor a temperatura ambiente. “Es necesario ser cuidadoso”, afirma Kopelevich.
Para fundamentar su apuesta en las propiedades superconductivas del HOPG, el físico ha trabajado en varios frentes. Más allá de rehacer el experimento en las mismas láminas de grafito pirolítico provenientes de Rusia, midió la superconductividad en placas fabricadas por la empresa norteamericana Union Carbide, un indicio de que el fenómeno detectado no parece ser producto de una muestra con impurezas.
Ahora Kopelevich procura encontrar evidencias de superconductividad en monocristales de grafito. “Si logramos eso, quedará claro que la superconductividad corresponde realmente al material grafito”, comenta el investigador de la Unicamp. Pero por ahora no cuenta con ese tipo de registro. Solo detectó ferromagnetismo en los monocristales.
Un largo camino
Kopelevich cree que el HOPG puede ser un tipo de superconductor con potencial para transmitir como mínimo corrientes débiles. Y, al contrario que la mayoría de los superconductores, aparentemente no pierde su capacidad de conducir electricidad con resistencia nula incluso presentando ferromagnetismo, una propiedad que debe ser más analizada.
Kopelevich no quiere de ninguna manera provocar el mismo escepticismo con relación a sus investigaciones con el grafito pirolítico que el que suscitaron las experiencias de un grupo de científicos croatas (lea el recuadro). Sabe que el camino puede ser largo y tortuoso y que, al final, “el HOPG puede no ser un superconductor tan prometedor como desearíamos”. En la peor de las hipótesis, fue abierta una nueva línea de investigación.
El físico Carlos Rettori, su colega en la Unicamp, que también participa en el proyecto, recuerda que los trabajos con grafito pirolítico están, a decir verdad, retomándose. “Hace 15 años, habíamos realizado algunas mediciones con este mismo material”, recuerda Rettori. “Ahora Kopelevich está resucitando este tema y nosotros también volvimos a estudiar el material. Nuestros estudios recientes demuestran sin ambigüedades la presencia de ferromagnetismo itinerante en el grafito y también la posibilidad de la superconductividad a alta temperatura”. Kopelevich está convencido de que existe superconductividad a temperatura ambiente.
Avances y promesas a lo largo de 90 años
La búsqueda de superconductores que funcionen a temperaturas cada vez más altas continúa siendo un gran objetivo. Es enorme el potencial de uso de un hipotético material capaz de conducir corriente eléctrica con resistencia nula en condiciones ambientales próximas a aquellas en las que el hombre vive. Los actuales cables eléctricos, por ejemplo, podrían ser reemplazados por similares revestidos con ese superconductor a la temperatura ambiente, con economía y mayor eficiencia en la transmisión de energía.
Con todo, desde que fueron descubiertos, hace 90 años, los superconductores tienen aplicaciones limitadas, a causa justamente de las temperaturas bajas que exigen. Los encontrados en los últimos 15 años acumulan más promesas que realizaciones: todavía no redundaron en aplicaciones, porque es difícil fabricar cables con ellos. Para que tengan algún uso práctico, los que están disponibles en el mercado tienen que ser enfriados a temperaturas bajísimas, en procesos muy caros. Es el caso, por ejemplo, de los imanes utilizados en aparatos de resonancia magnética, elaborados con aleaciones metálicas superconductoras. Para que funcionen tal como fueron concebidos, esos imanes deben enfriarse por debajo de la Tc de la aleación, por medio de una inmersión en helio líquido a -269°C. No por casualidad se ven con frecuencia camiones entregando helio líquido en hospitales que usan esos aparatos.
Tras más de una década en aparente baño maría, sin producir ningún descubrimiento de gran impacto, la investigación en el área volvió a agitarse en todo el mundo este año. En enero, científicos japoneses la Universidad Aoyama Gakuin revelaron que un conocido compuesto intermetálico de magnesio y boro, el MgB2, es un superconductor barato y eficiente cuando se lo enfría a -234°C.
En marzo, un equipo de Laboratorios Bell, en Estados Unidos, le mostró al mundo el primer compuesto plástico, el polímero politiofeno, que se comporta como superconductor cuando es integrado a una especie de transistor y sometido a -270°C. Pese a que las temperaturas necesarias para transformar esos compuestos en superconductores son extremadamente bajas, los dos descubrimientos fueron, por diferentes motivos, muy festejados, y lo serían aún más si funcionaran a temperatura ambiente.
El MgB2 es el compuesto metálico estable con Tc más alta, lo que lo convierte en potencial candidato para generar nuevas aleaciones superconductoras con temperatura crítica más elevada. Kopelevich comenta: “Debido al hecho de el MgB2 es un material isoelectrónico al grafito, ese descubrimiento también motivó una seria reconsideración de las propiedades físicas del grafito. Por ejemplo, G. Baskaran, un físico teórico famoso, recientemente argumentó que existen fuertes correlaciones superconductoras en el grafito. Nuestros resultados suministran la evidencia experimental de que esto realmente ocurre. Siguiendo con el MgB2, el grupo encabezado por el físico Oscar de Lima, que también forma parte del proyecto temático, realizó una contribución inédita, determinando que las propiedades superconductoras del MgB2 dependen de la dirección en la que un campo magnético externo es aplicado.”
El politiofeno es importante debido a que inaugura la familia de los plásticos superconductores, algo inusitado, pues en condiciones normales los polímeros no son buenos conductores de la electricidad.
Si esas dos noticias fueron festejadas por la comunidad científica y provocan un resurgimiento de la investigación de superconductores, una tercera, aunque es aparentemente promisoria, es vista con resquemor. Un equipo de investigadores de tres instituciones croatas (la Universidad de Zagreb, el Instituto Ruder Boskovic y la compañía local Avac) , y liderado por el científico Danijel Djure, afirma haber ido allende sus colegas japoneses y norteamericanos. Ellos aseguran tener evidencias de que un compuesto de plata, plomo, carbono y oxigeno se transforma en superconductor a temperatura ambiente. Su Tc es, según los croatas, casi increíblemente, de 70°C. Si se comprueba, dicha Tc le permitiría al material conducir corriente eléctrica sin resistencia en cualquier ambiente natural del planeta, incluso en las arenas ardientes de un desierto. Como nadie ha logrado todavía rehacer la experiencia de Djurek, y los croatas ya se engañaron una vez con este asunto, el posible descubrimiento aún no tiene aceptación.
LOS PROYECTOS
Estudio de Materiales Superconductores
MODALIDAD
Proyecto temático
COORDINADOR
José Antonio Sanjurjo – Instituto de Física de la Unicamp
INVERSIÓN
R$ 61.890,00
Estudio del Estado de los Vórtices en Superconductores de Alta Temperatura a través de Medidas No Localizadas
MODALIDAD
Auxilio a proyecto de investigación
COORDINADOR
Yakov Kopelevich – Instituto de Física da Unicamp
INVERSIÓN
R$ 18.989,00 y US$ 54.133,40
