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Articulo de referencia

Óxido de itrio, bario y cobre

2 Cu 3 O 7 \n| MolarMass = 666.19 g/mol\n| Appearance = Black solid\n| Density = 6.4 g/cm 3 {{cite journal|doi=10.1016/S0921-4534(03)01311-X|title=Interrelation of preparation c...

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El óxido de itrio, bario y cobre ( YBCO ) es una familia de compuestos químicos cristalinos que exhiben superconductividad a alta temperatura ; incluye el primer material descubierto que se vuelve superconductor por encima del punto de ebullición del nitrógeno líquido [ 77 K (−196,2 °C; −321,1 °F) ] a unos 93 K (−180,2 °C; −292,3 °F) . [ 3 ]      

Muchos compuestos de YBCO tienen la fórmula general Y Ba 2 Cu 3 O 7− x (también conocida como Y123), aunque existen materiales con otras proporciones de Y:Ba:Cu, como Y Ba 2 Cu 4 O y (Y124) o Y 2 Ba 4 Cu 7 O y (Y247). Actualmente, no existe una teoría unificada para la superconductividad de alta temperatura.

Forma parte del grupo más general de óxidos de cobre y bario de tierras raras (ReBCO), en los que, en lugar de itrio, están presentes otras tierras raras.

Historia

En abril de 1986, Georg Bednorz y Karl Müller , que trabajaban en IBM en Zúrich , descubrieron que ciertos óxidos semiconductores se volvían superconductores a temperaturas relativamente altas; en particular, un óxido de lantano, bario y cobre se volvía superconductor a 35  K. Este óxido era un material relacionado con la perovskita con deficiencia de oxígeno que resultó prometedor y estimuló la búsqueda de compuestos similares con temperaturas de transición superconductora más elevadas. En 1987, Bednorz y Müller recibieron conjuntamente el Premio Nobel de Física por este trabajo.

Tras el descubrimiento de Bednorz y Müller, un equipo liderado por Paul Ching Wu Chu en la Universidad de Alabama en Huntsville y la Universidad de Houston descubrió que el YBCO tiene una temperatura crítica de transición superconductora ( T c ) de 93 K. [ 3 ] Las primeras muestras fueron Y 1.2 Ba 0.8 Cu O 4 , pero esta era una composición promedio para dos fases, una negra y una verde. Los investigadores de los Laboratorios Bell identificaron la fase negra como la superconductora, determinaron su composición YBa 2 Cu 3 O 7−δ y la sintetizaron en una sola fase [ 4 ]

El YBCO fue el primer material que se volvió superconductor por encima de los 77  K, el punto de ebullición del nitrógeno líquido , mientras que la mayoría de los demás superconductores requieren criógenos más costosos. Sin embargo, el YBCO y muchos de sus materiales relacionados aún no han reemplazado a los superconductores que requieren helio líquido para la refrigeración.

Síntesis

El YBCO relativamente puro se sintetizó por primera vez calentando una mezcla de carbonatos metálicos a temperaturas entre 1000 y 1300 K. [ 5 ] [ 6 ]

4 BaCO 3 + Y 2 (CO 3 ) 3 + 6 CuCO 3 + ( 1 ⁄ 2 − x ) O 2 → 2 YBa 2 Cu 3 O 7− x + 13 CO 2

Las síntesis modernas de YBCO utilizan los óxidos y nitratos correspondientes. [ 6 ]

Las propiedades superconductoras de YBa 2 Cu 3 O 7− x son sensibles al valor de x , su contenido de oxígeno. Solo aquellos materiales con 0 ≤ x ≤ 0,65 son superconductores por debajo de T c , y cuando x ~ 0,07 , el material es superconductor a la temperatura más alta de95  K , [ 6 ] o en los campos magnéticos más altos:120 T  para B perpendicular y250  T para B paralelo a los planos de CuO 2. [ 7 ]

Además de ser sensibles a la estequiometría del oxígeno, las propiedades del YBCO se ven influenciadas por los métodos de cristalización empleados. Es fundamental sinterizar el YBCO con cuidado. Este material cristalino ofrece las mejores propiedades superconductoras cuando los límites de grano se alinean mediante un control preciso de las velocidades de recocido y enfriamiento .

Desde su descubrimiento por Wu y sus colaboradores, se han desarrollado numerosos métodos para sintetizar YBCO, como la deposición química de vapor (CVD), [ 5 ] [ 6 ] el método sol-gel [ 8 ] y el método de aerosol [ 9 ] . Sin embargo, estos métodos alternativos aún requieren una sinterización cuidadosa para obtener un producto de calidad.

Sin embargo, se han abierto nuevas posibilidades desde el descubrimiento de que el ácido trifluoroacético ( TFA ), una fuente de flúor, previene la formación del carbonato de bario (BaCO₃ ) no deseado . Rutas como la CSD (deposición química en solución) han abierto un amplio abanico de posibilidades, particularmente en la preparación de cintas largas de YBCO. [ 10 ] Esta ruta reduce la temperatura necesaria para obtener la fase correcta a alrededor de 700 °C (973 K; 1292 °F) . Esto, junto con la falta de dependencia del vacío, convierte a este método en una vía muy prometedora para obtener cintas de YBCO a escala.   

Estructura

Parte de la estructura reticular del óxido de itrio, bario y cobre.

El YBCO cristaliza en una estructura de perovskita defectuosa . Puede considerarse una estructura en capas: el límite de cada capa está definido por planos de unidades de CuO₄ cuadradas que comparten 4 vértices. En ocasiones, los planos pueden estar ligeramente ondulados. [ 5 ] Perpendiculares a estos planos de CuO₄ se encuentran cintas de CuO₂ que comparten 2 vértices. Los átomos de itrio se encuentran entre los planos de CuO₄ , mientras que los átomos de bario se encuentran entre las cintas de CuO₂ y los planos de CuO₄ . Esta característica estructural se ilustra en la figura de la derecha.

Al igual que muchos superconductores de tipo II , el YBCO puede presentar fijación de flujo : las líneas de flujo magnético pueden quedar fijas en un cristal, requiriéndose una fuerza para mover una pieza de una configuración de campo magnético determinada. Por lo tanto, una pieza de YBCO colocada sobre una pista magnética puede levitar a una altura fija. [ 5 ]

Aunque el YBa₂Cu₃O₇ es un compuesto químico bien definido con una estructura y estequiometría específicas, los materiales con menos de siete átomos de oxígeno por unidad de fórmula son compuestos no estequiométricos . La estructura de estos materiales depende del contenido de oxígeno. Esta no estequiometría se denota por la x en la fórmula química YBa₂Cu₃O₇ − x . Cuando x = 1, los sitios O ( 1) en la capa Cu(1) (como se indica en la celda unitaria ) están vacantes y la estructura es tetragonal . La forma tetragonal del YBCO es aislante y no es superconductora. Un ligero aumento del contenido de oxígeno provoca que se ocupen más sitios O(1). Para x < 0,65, se forman cadenas Cu-O a lo largo del eje b del cristal. El alargamiento del eje b cambia la estructura a ortorrómbica , con parámetros de red de a = 3,82, b = 3,89 y c = 11,68 Å. [ 12 ] Las propiedades superconductoras óptimas se producen cuando x ~ 0,07, es decir, casi todos los sitios O(1) están ocupados, con pocas vacantes.

En experimentos donde se sustituyen otros elementos en los sitios de Cu y Ba, la evidencia ha demostrado que la conducción ocurre en los planos Cu(2)O mientras que las cadenas Cu(1)O(1) actúan como reservorios de carga, que proporcionan portadores a los planos CuO. Sin embargo, este modelo no explica la superconductividad en el homólogo Pr123 ( praseodimio en lugar de itrio). [ 13 ] Esto (conducción en los planos de cobre) confina la conductividad a los planos a - b y se observa una gran anisotropía en las propiedades de transporte. A lo largo del eje c , la conductividad normal es 10 veces menor que en el plano a - b . Para otros cupratos de la misma clase general, la anisotropía es aún mayor y el transporte entre planos está altamente restringido.

Además, las escalas de longitud superconductoras muestran una anisotropía similar, tanto en la profundidad de penetración (λ ab ≈ 150  nm, λ c ≈ 800  nm) como en la longitud de coherencia (ξ ab ≈ 2  nm, ξ c ≈ 0,4  nm). Si bien la longitud de coherencia en el plano a - b es 5 veces mayor que la del eje c , es bastante pequeña en comparación con superconductores clásicos como el niobio (donde ξ ≈ 40  nm). Esta modesta longitud de coherencia implica que el estado superconductor es más susceptible a perturbaciones locales causadas por interfaces o defectos del orden de una celda unitaria, como el límite entre dominios cristalinos gemelos. Esta sensibilidad a pequeños defectos complica la fabricación de dispositivos con YBCO, y el material también es sensible a la degradación por humedad.

Aplicaciones propuestas

Corriente crítica (KA/cm² ) frente a la temperatura absoluta (K), a diferentes intensidades de campo magnético (T) en YBCO preparado por infiltración-crecimiento. [ 14 ]

Se han analizado numerosas aplicaciones posibles de este material y otros materiales superconductores de alta temperatura relacionados. Por ejemplo, los materiales superconductores se utilizan como imanes en resonancia magnética , levitación magnética y uniones Josephson . (El material más utilizado para cables de alimentación e imanes es el BSCCO ).

El YBCO aún no se ha utilizado en muchas aplicaciones que involucran superconductores por dos razones principales:

  • En primer lugar, si bien los monocristales de YBCO presentan una densidad de corriente crítica muy alta, los policristales tienen una densidad de corriente crítica muy baja : solo se puede permitir el paso de una pequeña corriente manteniendo la superconductividad. Este problema se debe a los límites de grano cristalino del material. Cuando el ángulo del límite de grano supera los 5° aproximadamente, la supercorriente no puede atravesarlo. Este problema puede controlarse, hasta cierto punto, mediante la preparación de películas delgadas por CVD o texturizando el material para alinear los límites de grano.
  • Un segundo problema que limita el uso de este material en aplicaciones tecnológicas está relacionado con su procesamiento. Los óxidos como este son frágiles, y su transformación en cables superconductores mediante cualquier proceso convencional no produce un superconductor útil. (A diferencia del BSCCO , el proceso de polvo en tubo no da buenos resultados con el YBCO).

El método más prometedor desarrollado para utilizar este material implica la deposición de YBCO sobre cintas metálicas flexibles recubiertas con óxidos metálicos amortiguadores. Esto se conoce como conductor recubierto . Se puede introducir textura (alineación del plano cristalino) en la cinta metálica (proceso RABiTS) o se puede depositar una capa amortiguadora cerámica texturizada, con la ayuda de un haz de iones, sobre un sustrato de aleación sin texturizar (proceso IBAD ). Las capas de óxido subsiguientes impiden la difusión del metal desde la cinta hacia el superconductor, al tiempo que transfieren la plantilla para texturizar la capa superconductora. Se utilizan variantes novedosas de las técnicas de CVD, PVD y deposición en solución para producir largas longitudes de la capa final de YBCO a altas velocidades. Entre las empresas que desarrollan estos procesos se encuentran American Superconductor , Superpower (una división de Furukawa Electric ), Sumitomo , Fujikura , Nexans Superconductors, Commonwealth Fusion Systems y European Advanced Superconductors. Un número mucho mayor de institutos de investigación también ha producido cinta de YBCO mediante estos métodos.

La cinta superconductora se utiliza para SPARC , un diseño de reactor de fusión tokamak . [ 15 ]

Modificación de la superficie

La modificación superficial de los materiales a menudo ha dado lugar a propiedades nuevas y mejoradas. La inhibición de la corrosión, la adhesión y nucleación de polímeros, la preparación de estructuras trilaminares de superconductor orgánico/aislante/superconductor de alta Tc y la fabricación de uniones túnel metal/aislante/superconductor se han desarrollado utilizando YBCO con superficie modificada. [ 16 ]

Estos materiales moleculares en capas se sintetizan mediante voltametría cíclica . Hasta el momento, se han producido capas de YBCO con alquilaminas, arilaminas y tioles , con diferente estabilidad de la capa molecular. Se ha propuesto que las aminas actúan como bases de Lewis y se unen a los sitios superficiales ácidos de Lewis del Cu en YBa₂Cu₃O₇ para formar enlaces de coordinación estables .

Producción en masa

SuperOx logró producir más de 300 km de YBCO en 9 meses para su uso en un imán de fusión.

En 1987, poco después de su descubrimiento, el físico y divulgador científico Paul Grant publicó en la revista británica New Scientist una guía sencilla para sintetizar superconductores YBCO utilizando equipos ampliamente disponibles. [ 17 ] Gracias en parte a este artículo y a publicaciones similares de la época, el YBCO se ha convertido en un superconductor de alta temperatura muy popular entre aficionados y en la enseñanza, ya que el efecto de levitación magnética se puede demostrar fácilmente utilizando nitrógeno líquido como refrigerante.

En 2021, SuperOx, una empresa ruso-japonesa, desarrolló un nuevo proceso de fabricación para producir alambre de YBCO para reactores de fusión. Se demostró que este nuevo alambre conduce entre 700 y 2000 amperios por milímetro cuadrado. La empresa logró producir más de 300 km (186 millas) de alambre de 4 mm de ancho en 9 meses, entre 2019 y 2021, mejorando drásticamente su capacidad de producción. La empresa utilizó un proceso de deposición por plasma-láser sobre un sustrato electropulido para fabricar alambre de 12 mm de ancho, que luego se cortó mecánicamente en segmentos de 4 mm de ancho. [ 18 ]  

Referencias

  1. ↑ Knizhnik, A (2003). "Interrelación de las condiciones de preparación, morfología, reactividad química y homogeneidad de la cerámica YBCO". Physica C: Superconductivity . 400 ( 1– 2): 25. Bibcode : 2003PhyC..400...25K . doi : 10.1016/S0921-4534(03)01311-X .
  2. ↑ Grekhov, I (1999). "Estudio del modo de crecimiento de películas ultradelgadas de HTSC YBCO sobre una capa tampón de YBaCuNbO" . Physica C: Superconductivity . 324 (1): 39. Bibcode : 1999PhyC..324...39G . doi : 10.1016/S0921-4534(99)00423-2 .
  3. 1 2 Wu, MK; Ashburn, JR; Torng, CJ; Hor, PH; Meng, RL; Gao, L; Huang, ZJ; Wang, YQ; Chu, CW (1987). "Superconductividad a 93 K en un nuevo sistema compuesto de fase mixta Y-Ba-Cu-O a presión ambiente" . Physical Review Letters . 58 (9): 908– 910. Bibcode : 1987PhRvL..58..908W . doi : 10.1103/PhysRevLett.58.908 . PMID 10035069 . 
  4. ↑ RJ Cava, B. Batlogg, RB van Dover, DW Murphy, S. Sunshine, T. Siegrist, JP Remeika, EA Rietman, S. Zahurak y GP Espinosa, Physical Review Letters 58, 1676 (1987), enviado el 5 de marzo de 1987, "Superconductividad volumétrica a 91 K en perovskita monofásica deficiente en oxígeno Ba2YCu3O9−δ" / y patente estadounidense 6,6635,603 (BJ Batlogg, RJ Cava, RB van Dover), Macilwain, C. Bell Labs gana patente de superconductividad. Nature 403, 121–122 (2000). https://doi.org/10.1038/35003008 |
  5. 1 2 3 4 Housecroft, CE; Sharpe, AG (2004). Química inorgánica (2.ª ed.). Prentice Hall. ISBN  978-0-13-039913-7.
  6. 1 2 3 4 5 Greenwood, Norman N.; Earnshaw, Alan (1997). Química de los elementos (2.ª ed.). Butterworth-Heinemann. doi : 10.1016/C2009-0-30414-6 . ISBN  978-0-08-037941-8.
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  8. ↑ Sun, Yang-Kook y Oh, In-Hwan (1996). "Preparación de polvos superconductores ultrafinos de YBa 2 Cu 3 O 7−x mediante el método sol-gel asistido por alcohol polivinílico". Ind. Eng. Chem. Res . 35 (11): 4296. doi : 10.1021/ie950527y .
  9. ↑ Zhou, Derong (1991). Generación de polvo superconductor de óxido de itrio, bario y cobre mediante un proceso de aerosol (Tesis). Universidad de Cincinnati. pág. 28. Bibcode : 1991PhDT........28Z . 
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  12. ↑ Mook, HA (31 de mayo de 1993). "Determinación de las excitaciones magnéticas en YBa2Cu3O7 mediante neutrones polarizados". Physical Review Letters . 70 (22): 3490– 3493. doi : 10.1103/PhysRevLett.70.3490 . PMID 10053882 . 
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  • Síntesis de YBCO utilizando equipos de laboratorio relativamente comunes - NileRed
  • Nuevo récord mundial para un imán superconductor de 26,8 T (abril de 2007)
  • Hoja de datos de seguridad externa (clasificaciones de seguridad) para YBCO .
  • Superconductividad en la vida cotidiana  : Exposición interactiva – poca o ninguna información específica sobre YBCO. Archivado el 5 de diciembre de 2005 en Wayback Machine .