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Descoberta de supercondutor anima ciência, que já vê nova era tecnológica

Experiência de levitação produzida com um supercondutor - Pongkaew/ Wikimedia Commons
Experiência de levitação produzida com um supercondutor Imagem: Pongkaew/ Wikimedia Commons
Daniel Schultz, Monica Matsumoto e Shridhar Jayanthi

sobre os colunistas

Daniel Schultz é cientista, professor de microbiologia e membro do núcleo de ciências computacionais em Dartmouth (EUA). Estuda a dinâmica dos processos celulares, com foco na evolução de bactérias resistentes a antibióticos. É formado em engenharia pelo ITA, doutor em química pela Universidade da Califórnia San Diego e pós-doutorado em biologia sistêmica em Harvard. Possui trabalhos de alto impacto publicados em várias áreas, da física teórica à biologia experimental, e busca integrar essas várias áreas do conhecimento para desvendar os detalhes de como funciona a vida ao nível microscópico.

Monica Matsumoto

Monica Matsumoto é cientista e professora de Engenharia Biomédica no ITA. Curiosa, tem interesse em áreas multidisciplinares e procura conectar pesquisadores em diferentes campos do conhecimento. É formada em engenharia pelo ITA, doutora em ciências pela USP e trabalhou em diferentes instituições como InCor/HCFMUSP, UPenn e EyeNetra.

Shridhar Jayanthi

Shridhar Jayanthi é agente de patentes com registro no escritório de patentes norte-americano (USPTO). Tem doutorado em engenharia elétrica pela Universidade de Michigan (EUA) e diploma de engenheiro de computação pelo ITA. Atualmente, trabalha com empresas de alta tecnologia para facilitar obtenção de patentes e, nas (poucas) horas vagas, é estudante de problemas na intersecção entre direito, tecnologia e sociedade. Antes disso, teve uma vida acadêmica com passagens pela Rice, MIT, Michigan, Pennsylvania e no InCor/USP, e trabalhou com pesquisa em áreas diversas da matemática, computação e biologia sintética.

Luiz Martins*

15/11/2020 04h00Atualizada em 15/11/2020 09h20

Em outubro passado, um grupo de pesquisadores nos Estados Unidos publicou um artigo na revista Nature, que causou um grande impacto na comunidade científica. O grupo reportou a descoberta de um material totalmente novo, um supercondutor a temperatura ambiente —algo que físicos e cientistas dos materiais vêm buscando há décadas.

Mas qual o motivo de tanto interesse? Materiais supercondutores a temperatura e pressão ambiente (temperatura em torno de 20°C e pressão atmosférica) poderiam levar a humanidade a uma nova era tecnológica porque possibilitariam, por exemplo, a transmissão de energia sem perdas, computadores quânticos mais simples e acessíveis e trens que levitam sobre os trilhos sem nenhum atrito.

Essa descoberta é um primeiro passo nesta direção, mas a supercondutividade a temperatura ambiente só foi observada a elevadas pressões. Pode parecer que simplesmente trocamos um problema pelo outro, mas na verdade não é bem assim. Para avaliar o impacto desse estudo, precisamos entender primeiro o que é a supercondutividade. Vem comigo.

Esse fenômeno foi descoberto em 1911, pelo físico holandês Heike Onnes, ao verificar que a resistência elétrica do mercúrio caía para zero quando esse era resfriado abaixo de -268.95 °C, ou seja, 4.2 graus acima do zero absoluto —a temperatura mínima que se pode atingir.

Desde então, supercondutividade foi descoberta em vários outros materiais, sempre a baixíssimas temperaturas, sendo que a característica marcante desse fenômeno é a completa ausência de resistência à passagem de corrente elétrica, diferente dos condutores normais. Sem resistência elétrica, o condutor não se aquece com a passagem de corrente elétrica.

Em termos práticos, um cabo transmissor de energia feito de um material supercondutor não teria perdas energéticas (energia dissipada em aquecimento dos cabos elétricos).

Isso significaria, por exemplo, transporte de energia elétrica da Usina de Itaipu à cidade de São Paulo sem perdas; um motor elétrico poderia funcionar sem perdas ou desgastes decorrentes do aquecimento, e assim por diante.

Supercondutores já encontram aplicações no nosso dia a dia como em aparelhos de ressonância magnética, em torres de celular e mais recentemente em geração de energia limpa através de fusão.

O entrave para uma maior gama de aplicações é a necessidade de baixas temperaturas para esse fenômeno ocorrer. E para que os cientistas possam sintetizar um material que seja supercondutor a temperaturas mais altas, é preciso entender o mecanismo por trás da supercondutividade.

Uma primeira explicação desse mecanismo só viria décadas depois de sua descoberta e foi graças ao desenvolvimento dela: a mecânica quântica, que tenho sempre abordado aqui na coluna.

Em 1957, os físicos John Bardeen, Leon Cooper, e Robert Schrieffer desenvolveram uma teoria chamada BCS para explicar a supercondutividade.

Segundo essa teoria, sob certas condições e abaixo de certa temperatura, chamada temperatura crítica, os elétrons do material ''preferem'' se juntar em pares, chamados pares de Cooper.

Essa "preferência" está ligada a um comportamento dos sistemas naturais em buscar a configuração de menor energia possível. Nessa configuração, a repulsão entre os elétrons é vencida por uma interação atrativa que faz com que eles se movam juntos. Essa atração é indireta e mediada por uma vibração do material, que funciona como a ''cola'' entre os elétrons.

De uma forma simplificada, esse movimento ordenado dos elétrons coordenado com as vibrações do material, em contraste ao movimento desordenado que ocorre em condutores comuns, é o responsável pelo transporte de corrente elétrica sem perdas por aquecimento dos fios de ligação. Ao se aumentar muito a temperatura, o par é desfeito e a supercondutividade desaparece.

De acordo com essa teoria, ao se aumentar a força de atração entre os elétrons, o que significa aumentar a interação dos elétrons com as vibrações —chamada interação elétron-fônon—, ficará mais difícil desfazer o par, e assim pode-se aumentar a temperatura crítica.

Baseado nessa teoria, o físico Ashcroft previu em 1968 que o hidrogênio em sua forma metálica seria um supercondutor a temperatura ambiente, devido, entre outros fatores, a forte interação elétron-fônon. O grande empecilho é que, segundo a teoria, seria necessária uma pressão altíssima para que o hidrogênio se torne metálico, pressão maior que a que se encontra no centro da Terra, o que não é lá muito animador.

Mas os cientistas começaram a explorar alternativas mais viáveis, como comprimir hidrogênio combinado a outros elementos químicos leves que também teriam uma forte interação elétron-fônon, na busca de um supercondutor a temperatura ambiente a pressões mais baixas.

Seguindo essa motivação, o grupo de cientistas que menciono no início do texto comprimiu um pó contendo uma mistura de carbono e enxofre e gás hidrogênio. Essa mistura foi comprimida entre dois diamantes usando um equipamento chamado DAC, da sigla em inglês Diamond Anvil Cell, um equipamento pequeno, que geralmente cabe na palma da mão.

Com essa técnica, pode-se atingir pressões da ordem de GPa, sendo que 1 GPa equivale a aproximadamente 10 000 vezes a pressão atmosférica.

A cada pressão, os pesquisadores variavam a temperatura e caracterizaram as mudanças no material por diversas técnicas, entre elas a resistência elétrica do material.

Através dessas medidas, os pesquisadores detectaram que a resistência elétrica do material caiu para zero a uma pressão de 267 GPa e temperatura de aproximadamente 15°C e, em combinação com outras medidas, indicam que ele virou um supercondutor a temperatura ambiente! Um ambiente um pouco frio, convenhamos.

Vale ressaltar que 267 GPa é aproximadamente 75% da pressão encontrada no centro da Terra, o que limita drasticamente aplicações tecnológicas. Mas esse trabalho abre portas para explorar outras combinações de elementos que sob pressão possam se tornar supercondutores a temperatura ambiente e pressões mais baixas, com alguma possibilidade de aplicação, ou que formem compostos que sejam estáveis ao se retirar a pressão. Se isso ocorrer, estaremos diante de uma nova era: a era dos supercondutores.

* Luiz Martins possui graduação em Engenharia Química e mestrado em Física pela Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG). Atualmente é doutorando no Departamento de Física do Massachusetts Institute of Technology (MIT), na área de física do estado sólido experimental. Sua pesquisa abrange o estudo de espectroscopia óptica em materiais bidimensionais (com poucos átomos de espessura), e física de altas pressões.

** Este texto não reflete, necessariamente, a opinião do UOL