O óxido de bismuto estrôncio cálcio cobre (BSCCO, pronunciado bisco), é um tipo de supercondutor de cuprato com a fórmula química generalizada Bi2Sr2Can−1CunO2n+4+x, com n = 2 sendo o composto mais comumente estudado (embora n = 1 e n = 3 também tenham recebido atenção significativa). Descoberto como uma classe geral em 1988, o BSCCO foi o primeiro supercondutor de alta temperatura que não continha um elemento de terra rara.

É um supercondutor de cuprato, uma importante categoria de supercondutores de alta temperatura que compartilham uma estrutura bidimensional em camadas (perovskita) (veja a figura à direita) com a supercondutividade ocorrendo em um plano de óxido de cobre. O BSCCO e o óxido de ítrio bário cobre (YBCO) são os supercondutores de cuprato mais estudados.

Os tipos específicos de BSCCO são geralmente referidos usando a sequência dos números dos íons metálicos. Assim, Bi-2201 é o composto com n = 1 (Bi2Sr2CuO6+x), Bi-2212 é o composto com n = 2 (Bi2Sr2CaCu2O8+x), e Bi-2223 é o composto com n = 3 (Bi2Sr2Ca2Cu3O10+x).

A família BSCCO é análoga a uma família de tálio de supercondutores de alta temperatura, referida como TBCCO e tendo a fórmula geral Tl2Ba2Can−1CunO2n+4+x, e a uma família de mercúrio HBCCO de fórmula HgBa2Can−1CunO2n+2+x. Há uma série de outras variantes dessas famílias supercondutoras. Em geral, a temperatura crítica (Tc) na qual eles se tornam supercondutores aumenta para os primeiros membros e depois cai. Assim, Bi-2201 tem Tc ≈ 33 K, Bi-2212 tem Tc ≈ 96 K, Bi-2223 tem Tc ≈ 108 K, e Bi-2234 tem Tc ≈ 104 K. Este último membro é muito difícil de sintetizar.

Fios e fitas Para aplicações práticas, o BSCCO é comprimido com metal de prata em fitas pelo processo powder-in-tube.

O BSCCO foi o primeiro material HTS (supercondutor de alta temperatura) a ser usado para a fabricação de fios supercondutores práticos. Todos os HTS têm um comprimento de coerência extremamente curto, da ordem de 1,6 nm. Isso significa que os grãos em um fio policristalino devem estar em contato extremamente bom – devem ser atomicamente lisos. Além disso, como a supercondutividade reside substancialmente apenas nos planos de cobre-oxigênio, os grãos devem estar alinhados cristalograficamente. O BSCCO é, portanto, um bom candidato porque os seus grãos podem ser alinhados por processamento de fusão ou por deformação mecânica. A dupla camada de óxido de bismuto é apenas fracamente ligada por forças de van der Waals. Assim, como no grafite ou na mica, a deformação causa deslizamento nesses planos BiO, e os grãos tendem a deformar-se em placas alinhadas. Além disso, porque o BSCCO tem membros n = 1, 2 e 3, eles tendem naturalmente a acomodar contornos de grão de baixo ângulo, de modo que realmente permanecem atomicamente lisos. Assim, fios HTS de primeira geração (referidos como 1G) têm sido fabricados há muitos anos por empresas como American Superconductor Corporation (AMSC) nos EUA e Sumitomo no Japão, embora a AMSC tenha agora abandonado o fio BSCCO em favor do fio 2G baseado em YBCO.

Tipicamente, pós precursores são embalados num tubo de prata, cujo diâmetro é então reduzido por extrusão. Estes são então reembalados como múltiplos tubos num tubo de prata e novamente reduzidos em diâmetro por extrusão, sendo depois estirados para tamanhos menores e laminados numa fita plana. O último passo garante o alinhamento dos grãos. As fitas são então levadas a reagir a alta temperatura para formar uma fita condutora multifilamentar densa e cristalograficamente alinhada de Bi-2223, adequada para o enrolamento de cabos ou bobinas para transformadores, ímãs, motores e geradores. Fitas típicas de 4 mm de largura e 0,2 mm de espessura suportam uma corrente de 200 A a 77 K, dando uma densidade de corrente crítica nos filamentos Bi-2223 de 5 kA/mm2. Isso aumenta acentuadamente com a diminuição da temperatura, de modo que muitas aplicações são implementadas a 30–35 K, mesmo que a Tc seja de 108 K.

Aplicações

Transmissão de energia elétrica: Condutores 1G feitos de fitas multifilamentares de Bi-2223. Ex.: Holbrook Superconductor Project

Eletroímãs e seus condutores de corrente: Teste de fitas de BSCCO no CERN

Descoberta A célula unitária de cristal de BSCCO-2212 compreende duas unidades de repetição deslocadas em (1/2,0,0). Os outros membros da família BSCCO têm estruturas muito semelhantes: o 2201 tem um CuO2 a menos em suas metades superior e inferior e nenhuma camada de Ca, enquanto o 2223 tem um CuO2 e camada de Ca a mais em cada metade.

O BSCCO como uma nova classe de supercondutor foi descoberto por volta de 1988 por Hiroshi Maeda e colegas no Instituto Nacional de Pesquisa de Metais no Japão, embora na época não tenham conseguido determinar sua composição e estrutura precisas. Quase imediatamente vários grupos, e mais notavelmente Subramanian et al. na Dupont e Cava et al. na AT&T Bell Labs, identificaram o Bi-2212. O membro com n = 3 revelou-se bastante indescritível e não foi identificado até cerca de um mês depois por Jeff Tallon et al. num laboratório de pesquisa do governo na Nova Zelândia. Desde então, houve apenas pequenas melhorias nesses materiais. Um desenvolvimento inicial fundamental foi substituir cerca de 15% do Bi por Pb (chumbo), o que acelerou muito a formação e a qualidade do Bi-2223.

Propriedades O BSCCO precisa de ser dopado com lacunas por um excesso de átomos de oxigênio (x na fórmula) para superconduzir. Como em todos os supercondutores de alta temperatura (HTS), a Tc é sensível ao nível exato de dopagem: a Tc máxima para Bi-2212 (como para a maioria dos HTS) é alcançada com um excesso de cerca de 0,16 lacunas por átomo de Cu. Isso é referido como dopagem ideal. Amostras com dopagem inferior (e, portanto, menor Tc) são geralmente chamadas de sub-dopadas, enquanto aquelas com excesso de dopagem (também menor Tc) são super-dopadas. Ao alterar o teor de oxigênio, a Tc pode, assim, ser alterada à vontade. Por muitas medidas, HTS super-dopados são supercondutores fortes, mesmo que sua Tc seja menor que o ideal, mas os HTS sub-dopados tornam-se extremamente fracos.

A aplicação de pressão externa geralmente eleva a Tc em amostras sub-dopadas a valores que excedem em muito o máximo à pressão ambiente. Isso não é totalmente compreendido, embora um efeito secundário seja que a pressão aumenta a dopagem. O Bi-2223 é complicado, pois possui três planos distintos de cobre-oxigênio. As duas camadas externas de cobre-oxigênio estão normalmente próximas à dopagem ideal, enquanto a camada interna restante é acentuadamente sub-dopada. Assim, a aplicação de pressão no Bi-2223 resulta na Tc subindo para um máximo de cerca de 123 K devido à otimização dos dois planos externos. Após um declínio prolongado, a Tc então sobe novamente em direção a 140 K devido à otimização do plano interno. Um desafio fundamental, portanto, é determinar como otimizar todas as camadas de cobre-oxigênio simultaneamente.

O BSCCO é um supercondutor do Tipo II. O campo magnético crítico superior (Hc2) em amostras policristalinas de Bi-2212 a 4,2 K foi medido como 200 ± 25 T (cf. 168 ± 26 T para amostras policristalinas de YBCO). Na prática, os HTS são limitados pelo campo de irreversibilidade (H*), acima do qual os vórtices magnéticos derretem ou desacoplam. Embora o BSCCO tenha um campo magnético crítico superior ao do YBCO, ele tem um H* muito menor (tipicamente menor por um fator de 100), limitando assim o seu uso na fabricação de ímãs de alto campo. É por esse motivo que os condutores de YBCO são preferidos aos do BSCCO, embora sejam muito mais difíceis de fabricar.

Ver também Óxido de ítrio, bário e cobre Óxido de tálio bário cálcio cobre

Ligações externas

Research fabrication of 2212 on MgO in 1993 (pdf) Local Electronic Structure of Bi2Sr2CaCu2O8 near Oxygen Dopants ...

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