Óxido de ítrio, bário e cobre

A família do óxido de ítrio, bário e cobre (YBCO) é um grupo de compostos químicos cristalinos que exibem supercondutividade de alta temperatura; inclui o primeiro material descoberto a se tornar supercondutor acima do ponto de ebulição do nitrogênio líquido (77 K, -196 °C) a cerca de 93 K (-180 °C).

Muitos compostos YBCO têm a fórmula geral (também conhecido como Y123), embora existam materiais com outras proporções de Y:Ba:Cu, como (Y124) ou (Y247). Atualmente, não há uma teoria única e reconhecida para a supercondutividade de alta temperatura.

Faz parte do grupo mais geral de óxidos de cobre de bário e terras raras (ReBCO) no qual, em vez do ítrio, outras terras raras estão presentes.

História Em abril de 1986, Georg Bednorz e Karl Müller, trabalhando na IBM em Zurique, descobriram que certos óxidos semicondutores se tornavam supercondutores em uma temperatura relativamente alta; em particular, um óxido de lantânio bário e cobre torna-se supercondutor a 35 K. Este óxido era um material relacionado à perovskita e deficiente em oxigênio que se provou promissor e estimulou a busca por compostos relacionados com temperaturas de transição supercondutoras mais altas. Em 1987, Bednorz e Müller receberam conjuntamente o Prêmio Nobel de Física por este trabalho.

Após a descoberta de Bednorz e Müller, uma equipe liderada por Paul Ching Wu Chu na Universidade do Alabama em Huntsville e na Universidade de Houston descobriu que o YBCO tem uma temperatura crítica de transição supercondutora (Tc) de 93 K. As primeiras amostras possuíam a composição média Y1,2Ba0,8CuO4, consistindo em duas fases: uma preta e uma verde. Pesquisadores do Bell Laboratories identificaram a fase preta como a responsável pela supercondutividade, determinaram a sua composição como YBa2Cu3O7−δ e a sintetizaram em fase única.R. J. Cava, B. Batlogg, R. B. van Dover, D. W. Murphy, S. Sunshine, T. Siegrist, J. P. Remeika, E. A. Rietman, S. Zahurak, e G. P. Espinosa, Physical Review Letters 58, 1676 (1987), submetido em 5 de março de 1987, "Bulk superconductivity at 91 K in single-phase oxygen-deficient perovskite Ba2YCu3O9−δ" / e Patente US 6,6635,603 (B. J. Batlogg, R. J. Cava, R. B. van Dover ), Macilwain, C. Bell Labs win superconductivity patent. Nature 403, 121–122 (2000). https://doi.org/10.1038/35003008 |

O YBCO foi o primeiro material descoberto a se tornar supercondutor acima de 77 K, o ponto de ebulição do nitrogênio líquido, ao passo que a maioria dos outros supercondutores requer criogênicos mais caros. Mesmo assim, o YBCO e os seus muitos materiais relacionados ainda não substituíram os supercondutores que exigem hélio líquido para resfriamento.

Síntese O YBCO relativamente puro foi sintetizado pela primeira vez aquecendo-se uma mistura de carbonatos metálicos em temperaturas entre 1000 e 1300 K.

4 BaCO3 + Y2(CO3)3 + 6 CuCO3 + (−x) O2 → 2 YBa2Cu3O7−x + 13 CO2

A síntese moderna do YBCO utiliza os óxidos e nitratos correspondentes.

As propriedades supercondutoras do YBa2Cu3O7−x são sensíveis ao valor de x, que determina o seu teor de oxigênio. Apenas os materiais com são supercondutores abaixo da Tc, e quando , o material superconduz na sua temperatura máxima de 95 K, ou nos campos magnéticos mais altos: 120 T para B perpendicular e 250 T para B paralelo aos planos CuO2.

Além de serem sensíveis à estequiometria do oxigênio, as propriedades do YBCO são influenciadas pelos métodos de cristalização utilizados. Deve-se ter cuidado ao sinterizar o YBCO. O YBCO é um material cristalino, e as melhores propriedades supercondutoras são obtidas quando os contornos dos grãos de cristal são alinhados por meio de controle cuidadoso do recozimento e das taxas de temperatura de têmpera.

Numerosos outros métodos de síntese de YBCO foram desenvolvidos desde sua descoberta por Wu e seus colegas de trabalho, como deposição química de vapor (CVD), processo sol-gel, e métodos por aerossol. Esses métodos alternativos, no entanto, ainda requerem uma sinterização cuidadosa para produzir um produto de qualidade.

No entanto, novas possibilidades foram abertas desde a descoberta de que o ácido trifluoroacético (TFA), uma fonte de flúor, impede a formação do indesejado carbonato de bário (BaCO3). Rotas como a CSD (deposição de solução química) abriram uma ampla gama de possibilidades, particularmente na preparação de fitas longas de YBCO. Essa rota reduz a temperatura necessária para obter a fase correta para cerca de 700 °C (973 K). Isso, aliado à falta de dependência do vácuo, faz com que esse método seja uma forma muito promissora de obter fitas escaláveis de YBCO.

Estrutura miniatura|Parte da estrutura da rede cristalina do óxido de ítrio, bário e cobre O YBCO cristaliza-se em uma estrutura de perovskita com defeito. Ela pode ser vista como uma estrutura em camadas: o limite de cada camada é definido por planos de unidades CuO4 quadradas planas que compartilham 4 vértices. Os planos podem, às vezes, apresentar-se levemente ondulados. Perpendiculares a esses planos CuO4 estão as fitas de CuO2 que compartilham 2 vértices. Os átomos de ítrio encontram-se entre os planos de CuO4, enquanto os átomos de bário encontram-se entre as fitas de CuO2 e os planos de CuO4. Essa característica estrutural é ilustrada na figura à direita.

+ Geometria de coordenação dos centros metálicos no YBCO150px150px120px120px100pxcúbica {YO8}{BaO10}quadrada plana {CuO4}piramidal de base quadrada {CuO5}

+ 250px200pxplano ondulado de Cufitas de Cu

miniatura|Como muitos supercondutores do tipo II, o YBCO pode exibir ancoragem de fluxo: as linhas de fluxo magnético podem ficar ancoradas num ponto do cristal, havendo a necessidade de uma força para mover a peça de uma determinada configuração de campo magnético. Uma peça de YBCO colocada acima de um trilho magnético pode, assim, levitar a uma altura fixa. Embora o YBa2Cu3O7 seja um composto químico bem definido com estrutura e estequiometria específicas, os materiais com menos de sete átomos de oxigênio por unidade de fórmula são compostos não estequiométricos. A estrutura desses materiais depende do teor de oxigênio. Essa não-estequiometria é denotada pelo x na fórmula química YBa2Cu3O7−x. Quando x = 1, os sítios O(1) na camada Cu(1) (conforme rotulado na célula unitária) estão vagos e a estrutura é tetragonal. A forma tetragonal do YBCO é isolante e não apresenta supercondutividade. O aumento ligeiro do teor de oxigênio faz com que mais sítios O(1) se tornem ocupados. Para x < 0,65, correntes de Cu-O são formadas ao longo do eixo b do cristal. O alongamento do eixo b altera a estrutura para ortorrômbica, com parâmetros de rede de a = 3,82, b = 3,89 e c = 11,68 Å. As propriedades supercondutoras ótimas ocorrem quando x ~ 0,07, ou seja, quase todos os sítios O(1) estão ocupados, havendo poucas vacâncias.

Em experimentos nos quais outros elementos são substituídos nos sítios de Cu e Ba, há evidências de que a condução ocorre nos planos Cu(2)O, enquanto as correntes Cu(1)O(1) atuam como reservatórios de carga, fornecendo portadores aos planos de CuO. No entanto, este modelo falha ao explicar a supercondutividade no homólogo Pr123 (praseodímio em vez de ítrio). Este arranjo (condução nos planos de cobre) confina a condutividade aos planos a-b, observando-se uma grande anisotropia nas propriedades de transporte. Ao longo do eixo c, a condutividade normal é 10 vezes menor que no plano a-b. Em outros cupratos na mesma classe geral, a anisotropia é ainda maior e o transporte interplanar é altamente restrito.

Além disso, as escalas de comprimento supercondutor mostram uma anisotropia similar, tanto na profundidade de penetração (λab ≈ 150 nm, λc ≈ 800 nm) quanto no comprimento de coerência, (ξab ≈ 2 nm, ξc ≈ 0,4 nm). Embora o comprimento de coerência no plano a-b seja 5 vezes maior que ao longo do eixo c, ele é bastante pequeno em comparação com supercondutores clássicos como o nióbio (onde ξ ≈ 40 nm). Este comprimento de coerência modesto significa que o estado supercondutor é mais suscetível a interrupções locais provenientes de interfaces ou defeitos na ordem de uma única célula unitária, tal como o limite entre domínios cristalinos maclados. Esta sensibilidade a pequenos defeitos complica a fabricação de dispositivos de YBCO, e o material também é sensível à degradação pela umidade.

Aplicações propostas esquerda|miniatura|Corrente crítica (KA/cm2) vs temperatura absoluta (K), sob diferente intensidade de campo magnético (T) em YBCO preparado por crescimento por infiltração. Muitas aplicações possíveis deste e de outros materiais supercondutores de alta temperatura correlatos têm sido discutidas. Por exemplo, materiais supercondutores estão encontrando uso como ímãs em imagens por ressonância magnética, levitação magnética e em junções de Josephson. (O material mais usado para cabos de energia e ímãs é o BSCCO.)

O YBCO ainda não é usado em muitas aplicações envolvendo supercondutores por dois motivos principais: Em primeiro lugar, embora monocristais de YBCO possuam uma densidade de corrente crítica muito elevada, policristais têm uma densidade de corrente crítica muito baixa: apenas uma pequena corrente pode ser passada enquanto a supercondutividade é mantida. Esse problema deve-se aos contornos de grão dos cristais no material. Quando o ângulo de contorno de grão é maior que cerca de 5°, a supercorrente não consegue cruzar o limite. O problema dos contornos de grão pode ser parcialmente controlado ao se preparar filmes finos por deposição química de vapor (CVD) ou texturizando o material para alinhar os contornos. Um segundo problema limitando o uso deste material em aplicações tecnológicas está associado ao seu processamento. Materiais óxidos como este são quebradiços, e conformá-los em fios supercondutores através de qualquer processo convencional não produz um supercondutor útil. (Ao contrário do BSCCO, o processo de tubo-com-pó não dá bons resultados com o YBCO.)

O método mais promissor desenvolvido para utilizar este material envolve a deposição de YBCO em fitas metálicas flexíveis revestidas com óxidos metálicos como barreira amortecedora (buffer). Isto é conhecido como condutor revestido. A textura (alinhamento dos planos cristalinos) pode ser induzida na fita de metal (pelo processo RABiTS) ou uma camada texturizada em cerâmica pode ser depositada, com a ajuda de um feixe de íons, sobre um substrato de liga sem textura (pelo processo IBAD). Camadas de óxido subsequentes evitam a difusão do metal da fita para o supercondutor, transferindo ao mesmo tempo o molde para texturizar a camada supercondutora. Variantes inovadoras em CVD, PVD e técnicas de deposição de soluções são usadas para produzir grandes comprimentos da camada final de YBCO a taxas elevadas. Empresas que desenvolvem estes processos incluem American Superconductor, Superpower (uma divisão da Furukawa Electric), Sumitomo, Fujikura, Nexans Superconductors, Commonwealth Fusion Systems e European Advanced Superconductors. Um número muito maior de institutos de pesquisa também tem produzido fita de YBCO por meio destes métodos.

A fita supercondutora é usada no SPARC, um projeto de reator de fusão tipo tokamak.

Modificação de superfície A modificação superficial de materiais frequentemente resultou em novas propriedades ou melhorias. A inibição da corrosão, adesão e nucleação de polímeros, o preparo de estruturas de tripla camada formadas por um supercondutor orgânico/isolante/supercondutor de alta Tc e a fabricação de junções de túnel metal/isolante/supercondutor foram desenvolvidos usando o YBCO com superfície modificada.

Estes materiais moleculares em camadas são sintetizados usando a voltametria cíclica. Até agora, camadas de YBCO com alquilaminas, arilaminas e tióis têm sido produzidas, com uma estabilidade variável da camada molecular. Foi proposto que as aminas atuem como bases de Lewis e liguem-se aos sítios ácidos de Lewis do Cu na superfície do YBa2Cu3O7 para formar ligações de coordenação estáveis.