Los Físicos Descubren La Temperatura A La Que Los Nanotubos De Carbono Se Convierten En Superconductores

Los físicos revelan la temperatura a la que los nanotubos de carbono se convierten en superconductores

Esta es la estructura geométrica ‘una cadena de carbono en un tubo’ antes y después de la optimización. Crédito: Chi Ho Wong

Científicos de la Universidad Federal de los Urales (UrFU) junto con sus colegas de la Universidad Estatal Lomonosov de Moscú descubrieron el método matemático para calcular la temperatura a la que los nanotubos de carbono de pared simple se convirtieron en superconductores y desarrollaron una forma de aumentarla, abriendo así nuevas perspectivas para la aplicación de materiales superconductores. El trabajo fue publicado en la revista Carbon.

La superconductividad es la base de la alta tecnología. Los materiales que pueden conducir la electricidad por completo sin pérdidas de energía debido a la ausencia de resistencia se utilizan en ciclotrones, trenes magnéticos, líneas eléctricas y magnetómetros súper sensibles (dispositivos utilizados para medir el campo magnético de la Tierra). Aún así, el principal problema con la superconductividad es que se expresa a temperaturas ligeramente superiores cero absoluto (-273 ° C). Si un material es superconductor alrededor de -70 ° C, está apuntando a un récord. El líder entre todos los materiales es el sulfuro de hidrógeno congelado a una presión increíble: se convierte en un superconductor a -70 ° C.

“La superconductividad a temperatura ambiente es el sueño de la humanidad. Por ejemplo, su teléfono móvil ya no necesita recargarse y la electricidad puede funcionar para siempre ”, dice el Dr. Chi Ho Wong, un postdoctorado de la Universidad Federal de los Urales y coautor del trabajo.

La capacidad del carbono para formar planos, uno átomo grueso grafeno hojas (capas de grafito separadas) ha atraído la atención de los científicos durante mucho tiempo. Si enrollamos una hoja de este tipo para hacer un tubo, obtendremos otra estructura interesante: un nanotubo de carbono de pared simple (SWCNT). Estas estructuras son muy resistentes a la tracción, refractan la luz de una manera inusual y pueden usarse en muchas áreas, desde la electrónica hasta la biomedicina. Los átomos insertados en las paredes de dichos tubos pueden cambiar sus propiedades, incluida la conductividad. Puede depender de la orientación de los hexágonos que forman la capa de carbono, del relleno del tubo, o de átomos adicionales insertados o unidos de otros elementos.

Los nanotubos de carbono de pared simple se están estudiando activamente como posibles superconductores. Sin embargo, su diámetro equivale a solo 4 angstroms (cuatro décimas de nanómetro), por lo que están cerca de los materiales 1D. A temperaturas cercanas al cero absoluto se forman en ellos los denominados pares de electrones de Cooper. En la falta de curvatura previene la formación de pares de Cooper y no se observa superconductividad.

“Nuestra tarea era cambiar la estructura 1D para aumentar la temperatura de transición superconductora”, comenta Anatoly Zatsepin, jefe de un laboratorio de investigación científica en el Instituto de Física y Tecnología de UrFU. “Resultó que si apila SWCNT, los pares de Cooper se estabilizan y se forma un superconductor”. Aún así, incluso esas pilas requieren temperaturas bastante bajas para exhibir propiedades superconductoras, solo 15 grados por encima del cero absoluto.

Los físicos también encontraron una solución para este problema. Agregaron un “alambre” de carbono de un átomo de ancho dentro de los SWCNT. La cadena en sí no forma enlaces con los átomos del tubo, pero hace que el tubo cambie su propia geometría y se flexione.

Cuando el equipo de UrFU cambió la forma de la cadena de carbono interna de recta a similar a un zigzag, lograron aumentar la temperatura de transición de superconductividad en 45 grados. Para lograr el mejor efecto, los ángulos de los zigzags se calcularon matemáticamente y las predicciones resultaron ser correctas.

“Nadie en el mundo pudo calcular con éxito la temperatura de transición superconductora de nanotubos de carbono de pared simple desde 2001. Pero lo logramos este año. Luego, basándonos en nuestro nuevo método, insertamos una cadena de carbono dentro del nanotubo de carbono para estudiar la superconductividad ”, agrega el Dr. Chi Ho Wong.

Publicación: CHWong, et al., “Superconductividad en nanotubos de carbono ultrafinos y compuestos de nanotubos de carbono: un enfoque ab-initio”, carbono, 2017; doi: 10.1016 / j.carbon.2017.09.077

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