jueves, 1 de mayo de 2008

::S U P E R C O N D U C T I V I D A D:: E N:: C E R Á M I C A S::


  • ¿Se estudian a otros elementos de la tabla periódica en cuanto a superconductividad además de los mostrados? No. Los elementos que mostré son aquellos que presentan, bajo las especificaciones necesarias, el fenómeno de superconductividad. Los muestro a continuación:

  • ¿ Por qué los polímeros o los metales no son superconductores?
    La tabla anterior muestra metales que presentan superconductividad. En cuanto a los polímeros, existen actualmente polímeros superconductores utilizados principalmente en aplicaciones electrónicas.

  • ¿Dónde se pueden utilizar?
    En especial los polímeros su usan para incrementar velocidad en electrónica, mientras que los superconductores tienen aplicaciones Los imanes superconductores son algunos de los electroimanes más poderosos conocidos. Se utilizan en los trenes maglev, en máquinas para la resonancia magnética nuclear en hospitales y en el direccionamiento del haz de un acelerador de partículas. También pueden utilizarse para la separación magnética, en donde partículas magnéticas débiles se extraen de un fondo de partículas menos o no magnéticas, como en las industrias de pigmentos.

  • ¿Pueden sustituir a los metales superconductores?
    Precisamente, las cerámicas superconductoras presentan una temperatura crítica mayor que muchos metales. Principalmente por esta razón, este tipo de materiales logra ser un potencial sustituto de algunos metales. No obstante, el cambio no sería por completo, puesto que aún teniendo las cerámicas superconductoras una facilidad mayor de procesamiento (incluyendo su refrigeración), éstos tendrían que ser ampliamente conocidos y procesados a gran escala para, en algún momento, sustituir los metales.
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  • ¿Cuáles son los procesos para sustituir lantano por Ytrio?
    Por el mismo proceso de fabricación y los elementos empleados, el lantano es sustituido por el ytrio. La fabricación de estos nuevos superconductores cerámicos basados en la perovskita es relativamente fácil, pueden sintetizarse en cualquier laboratorio que esté moderadamente equipado. El primer paso es mezclar y calentar los ingredientes. Se combinan óxidos de los metales itrio (Y), bario (Ba) y cobre con ácido cítrico y etilen-glicol. La mezcla ya caliente se mete en un horno, donde se cuece a unos 800° C, con lo que se vaporizan los componentes líquidos, cristalizando el material restante en forma de polvos negros. El polvo es comprimido en un horno especial que genera aproximadamente 150 kilogramos por centímetro cuadrado de presión. El bloque resultante se enfría gradualmente durante varias horas. Una vez enfriado el material se sumerge en un gaño de nitrógeno líquido para probar la superconductividad. Si no se mide resistencia en el material probablemente se produjo superconductividad, pero si el material presenta efecto de Meissner, entonces este fenómeno se produjo por completo.

  • ¿Se puede usar algun otro metal en vez de Ytrio?
    Si Maynez; es posible utilizar otro metal, sin embargo es necesario que cumplan con una estructura que permita superconductividad, tal como una coordinacion parecida a la del Ytrio o Lantano.

  • ¿Se podrán usar las cerámicas superconductoras para el desarrollo de nuevas tecnologías de diversas áreas?
    Por supesto Maynez. Como has de recordar, mencioné aplicaciones que abarcan diversas áreas tecnológicas, tales como la utilidad en resonancia magnética nuclear, incluyendo análisis químico y técnica de tomografía para el área de medicina. Además, la manufactura de trenes que levitan, transmisión de potencia sin pérdida de energía, coberturas magnéticas, computadoras ultra rápidas, motores compactos potentes de gran eficacia e imanes para fusión nuclear. Se utilizan imanes fuertes para eliminar impurezas de alimentos y materias primas; por ejemplo, las impurezas magnéticas del caolín (china clay) decoloran el producto manufacturado si no se eliminan.

    Los generadores eléctricos producen energía al girar un imán dentro de una bobina; esto origina una corriente eléctrica en la misma. Las uniones de Josephson se utilizan en los dispositivos superconductores de interferencia cuántica (SQUIDA, Superconducting Quantum Interference Devices). Éstos consisten en un circuito cerrado de alambre superconductor con una unión de Josephson (RF SQUID) o dos (DC SQUID) integradas. Este dispositivo es en extremo sensible a cambios de en el campo magnéticos y puede medir voltajes tan pequeños como 10-18 V, corrientes de 10-18 A y campos magnéticos de 10-14. Los SQUID se utilizan en la investigación médica para detectar pequeños cambios en el campo magnético del cerebro. Los geólogos utilizan SQUID en la prospección de minerales y de petróleo donde los depósitos pueden causar pequeños cambios locales en el campo magnético de la Tierra.

    Muchas de estas aplicaciones requieren de una cerámica en forma de hilo o lámina, lo que necesitará de otro proceso de manufactura más preciso como a través de mezclas en polvo de un superconductor y un polímero que se moldea en forma apropiada, se sinteriza y luego se fija por calor, pero los productos tienden a ser frágiles.

  • ¿Por qué se tiene que disminuir la temperatura para que se presente la superconductividad?
    Esto se explica gracias a la teoría BCS: Es posible comprender el origen de la atracción entre los electrones gracias a un argumento cualitativo simple. En un metal, los electrones cargados negativamente ejercen una atracción sobre los iones positivos que se encuentran en su vecindad. Estos iones al ser mucho más pesados que los electrones, tienen una inercia mucho mayor. Por esta razón, mientras que un electrón pasa cerca de un conjunto de iones positivos, estos iones no vuelven inmediatamente a su posición de equilibrio original. Ello resulta en un exceso de cargas positivas en el lugar por el que el electrón ha pasado. Un segundo electrón sentirá pues una fuerza atractiva resultado de este exceso de cargas positivas.


  • ¿Qué características debe tener una cerámica superconductora?
    Debe presentar aquellas propiedades representativas de los superconductores, como que tienen una resistencia nula y, por tanto, transportan corriente sin pérdida de energía. Además, que expulsan todo flujo magnético de su interior y así son forzados a salir de un campo magnético.

  • ¿Por qué la superconducción se puede dar en cerámicas?
    La propiedad superconductora es totamente conferida a su estructura. Hablando del compuesto de Bednorz y Müller, éste presenta elongación en su estructura, debida a un efecto de Jahn-Teller. Los átomos de cobre y cuatro átomos de oxígeno más cercanos yacen en los planos ab, formando retículos de átomos de cobre y de oxígeno separados por planos de otros átomos. Este retículo planar de los átomos de oxígeno y cobre es el que confiere las propiedades superconductoras al cristal.

  • ¿Qué hace el Yterbio en la celda?
    Es importante mencionar que el Yterbio es una tierra rara que puede formar parte de una cerámica superconductora al relacionarse en muchas ocasiones con el itrio. No obstane, se sabe que todos los compuestos del yterbio deben ser tratados como altamente tóxicos, aunque estudios preliminares parecen indicar que el peligro es limitado. Se sabe sin embargo que los compuestos de iterbio causan irritación en piel y ojos y pueden ser teratogénicos. El polvo de iterbio metálico supone un riesgo de incendio y explosión.



  • ¿Qué tan operables son para circuitos de tecnología actual?
    La operación es bastante buena. Basta mencionar los SQUID (Superconducting Quantum Interference Devices), que logran mediciones de hasta 10exp -18. O bien, las aplicaciones que se mencionan en la séptima pregunta.


  • ¿Cómo se explica la superconductividad a altas temperaturas?
    La búsqueda de una comprensión teórica de la superconductividad de alta temperatura se considera como uno de los problemas más importantes sin resolver en la física. Actualmente sigue siendo un tema de intensa investigación experimental y teórica, con más de 100000 documentos publicados sobre el tema.
    Pese a las intensas investigaciones, una explicación satisfactoria sigue eludiendo a los científicos. Una de las razones para ello es que los materiales en cuestión son por lo general muy complejos, con varias capas de cristales (por ejemplo, BSCCO), lo que hace difícil el modelado teórico. Sin embargo, con el rápido ritmo de nuevos descubrimientos en este campo, muchos investigadores son optimistas en una completa comprensión del proceso dentro de la próxima década más o menos.

  • ¿Puede existir la superconductividad en materiales distintos a las cerámicas?
    Sí se llegan a distinguir los siguientes tipos de superconductores:
    1. Metales. De baja temperatura. Algunos ejemplos son el aluminio(Al), el
    indio (In), el mercurio (Hg), el tantalio (Tl), Vanadio (Va), Pb, Nb...
    2. Aleaciones Metálicas. Compuestos de uno o más metales. Algunos
    ejemplos son el Nb56Ti44, Nb50Ti50, Nb2Sn, Nb3Sn, PbMo5S6. De Tc
    algo mayor, aunque sin alcanzar la alta temperatura.
    3. Cerámicas Oxídicas. Sistemas de óxidos superconductores a base de O,
    Ba, Pb, Bi y Ta, entre otros.
    4. Polímeros. Superconductores orgánicos para artificios microelectrónicos.

  • ¿Cómo puede incrementarse la temperatura critica?
    Los mismos materiales, en este caso cerámicas, son aquellos que elevan la temperatura crítica, convirtiéndolos en materiales superconductores más fiables.

  • ¿Qué establece la teorìa BCS?
    La Teoría BCS fue propuesta por John Bardeen, Leon Cooper, y John Robert Schrieffer en julio de 1957 intentando explicar el fenómeno de la superconductividad. En 1972 los tres recibieron el Premio Nobel de Física gracias a esta teoría. Ésta establece que Es posible comprender el origen de la atracción entre los electrones gracias a un argumento cualitativo simple. En un metal, los electrones cargados negativamente ejercen una atracción sobre los iones positivos que se encuentran en su vecindad. Estos iones al ser mucho más pesados que los electrones, tienen una inercia mucho mayor. Por esta razón, mientras que un electrón pasa cerca de un conjunto de iones positivos, estos iones no vuelven inmediatamente a su posición de equilibrio original. Ello resulta en un exceso de cargas positivas en el lugar por el que el electrón ha pasado. Un segundo electrón sentirá pues una fuerza atractiva resultado de este exceso de cargas positivas.
    Así los electrones se agrupan en pares llamados pares de Cooper que ocupan estados de menor energía en la red del sólido. La formación de dichos pares de Cooper depende de la microestructura del material, es decir, de la red cristalina, ya que esta pareja de electrones se mueve de forma acoplada con la red.

2 comentarios:

berto dijo...

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Anónimo dijo...

Respecto a la pregunta ¿ Por qué los polímeros o los metales no son superconductores? es una muy buena pregunta, pero tu respuesta es mediocre, y sólo por ello no he leído
el blog completo.

Da una respuesta con un buen argumento.

Att. Carlos Pacheco.