Artículo científico 2016 Premio nobel de física en 1987 Eimy Nicole Gil Vaca. Colegio Nuestra Señora del Rosario, Funza.
RESUMEN La superconductividad es una propiedad extraña que adquieren algunos materiales cuando son enfriados a temperaturas extremas; a la vez, estos adquieren propiedades como el diamagnetismo, campo magnético crítico y resistencia cero. Desde el descubrimiento de Bednorz y Muller sobre la presencia de la superconductividad en materiales cerámicos se ha ampliado el campo de visión para el desarrollo de la tecnología, a partir de esta propiedad que presentan algunos materiales, como en las áreas de la biomedicina (resonancias magnéticas nucleares, squids, prótesis) y la electrónica (súper imanes). Palabras clave: superconductividad, propiedades, materiales.
ABSTRACT The superconductivity is an odd characteristic that some materials acquire when they get extremely cold; at the same time, they acquire characteristics as diamagnetism, critical magnetic field and zero resistance. Since the discovery of Bednorz and Muller about the presence of the superconductivity in ceramic materials it has increase the vision field for the technology developing, based on this characteristic that have some materials, in areas as biomedicine (nuclear magnetic resonance, squids, prosthesis) and electronic (super imans). Key Words: superconductivity, characteristics, materials.
Introducción Desde principios del siglo pasado, en 1911 para ser exactos, se ha estudiado a los superconductores y sus singulares propiedades para poder encontrar algún material que pueda ser utilizado a
temperaturas ambientes. El avance en esta investigación se dio gracias a los ganadores del premio nobel de física en 1987, Bednorz y Müller, al descubrir la superconductividad en materiales cerámicos con temperatura crítica más alta a los materiales estudiado anteriormente, como el Hg (mercurio) y el
estaño. Los superconductores se presentan en muy pocos materiales y esto ha frenado el avance en su desarrollo pero hoy en día los superconductores han dejado de ser un sueño y son aplicados en diversas áreas para mejorar nuestra calidad de vida.
¿Qué es la superconductividad? Un poco de historia. La superconductividad es una propiedad intrínseca que poseen muy pocos materiales en donde la resistencia eléctrica se ve anulada por completo y permite que la electricidad circule sin pérdida de energía alguna. Este fenómeno físico ha sido estudiado desde 1911 cuando Kamerlingh Onnes observó que la resistencia eléctrica del Hg (Mercurio) desaparecía por debajo de 4,2 K (ver figura 1).
estado de superconductividad, que solo es alcanzado cuando se alcanza la temperatura crítica (ya sea alta o baja). Los primeros materiales superconductores, denominados superconductores clásicos, fueron el estaño, para Nb3Sn alcanza una temperatura crítica de 19,31 K y para Nb3Ge una Tc de 23,2 K. Pero en 1986, Bednorz y Müller, ganadores del premio Nobel de física en 1987, dieron una gran aporte al campo de la superconductividad al detectar propiedades superconductoras en óxidos metálicos (materiales cerámicos) de Ba, La, Cu, O por encima de la barrera de 23,3 K, este elemento obtenía su estado superconductor a una temperatura crítica de unos 32 °K (ver figura 2).
Figura 2. Gráfica de resistencia eléctrica de Ba-La-Cu-O.
Figura 1. Gráfica de resistencia eléctrica del Hg. Desde entonces se han investigado numerosos elementos para encontrar su
Desde este descubrimiento se han hecho muchísimos más, especialmente en la familia de superconductores de talio, cuya fórmula es TlmBa2Can-1CunO 2n+m+2, en donde m puede tener valores de l o 2. De esto depende que sea superconductor o no, igualmente lo hace el valor de n que cuando es igual al 3 la temperatura crítica puede llegar a los 125 K. (Ver figura 3)
Materiales cerámicos
Figura 3. Temperaturas críticas de los superconductores de talio dependiendo de n y m.
Ganadores del Premio Nobel de 1987 Fue otorgado a dos científicos del laboratorio IBM de Zúrich; George Bedriorz, de 37 años, de nacionalidad alemana occidental; y Karl Alexander Müller, suizo, de 60 años por haber descubierto en 1986 que los materiales cerámicos se pueden convertir en superconductores a temperaturas mucho más elevadas que las obtenidas en materiales como el mercurio. Bednorz y Müller se decidieron enfocar en materiales óxidos en vez de diferentes metales para estudiar su superconductividad. Estos compuestos óxidos además de poseer oxígeno, contienen uno o varios metales terrosos. El material cerámico que usaron contenía cobre para que sus átomos pudieran transportar los electrones. Además, para conseguir un material químicamente estable, ellos agregaron bario a los cristales de óxido de cobre y como resultado se obtuvo un material cerámico que fue el primer buen superconductor de alta temperatura.
Los materiales cerámicos han sido utilizados por la humanidad desde hace varios milenios para la construcción de templos, monumentos, casas y decoración (como las vasijas, vasos, platos, etc.) en los tiempos antiguos, y actualmente se usan para fabricar sanitarios, implantes biomédicos (dientes y huesos), tecnología aeroespacial y tecnología óptica. Dichos materiales son llamados como perovskitas, que son óxidos metálicos que demuestran una razón estequiométrica de 3 átomos de oxigeno por cada 2 átomos de metal. Un ejemplo es Y1Ba2Cu3O7, cuyos metales presentes son el Itrio, Bario y Cobre, el cual fue descubierto como superconductor por Bednorz y Müller en 1986.
¿Cuáles son las propiedades presentes en un material superconductor?
Resistencia cero y temperatura crí tica Como ya se ha mencionado anteriormente, para que un material sea superconductor no debe estar presente la propiedad de la resistencia eléctrica. Para lograr dicho cometido se debe bajar la temperatura drásticamente hasta que la resistencia sea igual a cero. Se le denomina temperatura crítica a la temperatura donde un material pasa a ser un superconductor. (Ver figura 4)
Figura 5. El flujo del campo magnético es expulsado del interior cuando la temperatura es más baja a la temperatura crítica.
Figura 4. Gráfica de la resistencia en función de la temperatura, donde un superconductor adquiere resistencia igual a cero en cierta temperatura crítica y un material superconductor llega al cero absoluto y aún tiene resistencia eléctrica.
Otro tipo del efecto Meissner se exhibe en materiales superconductores sin campo magnético donde su temperatura ha llegado a ser menor a la crítica, y, además, se le aplica un campo magnético, estos son capaces de repelerlo (ver figura 6)
Diamagnetismo o Efecto Meissner Cuando un material alcanza su temperatura crítica ocurre un fenómeno llamado diamagnetismo o efecto Meissner, en honor a su descubridor. Este se evidencia cuando el material superconductor, que ya ha alcanzado una temperatura por debajo de la crítica, se encuentra en presencia de un campo magnético (por ejemplo, un imán), este expulsa su flujo magnético del interior hacía el exterior (ver figura 5).
Figura 6. Material sin campo magnético que al aplicarle uno es capaz de repelerlo.
Campo magnético crí tico El campo crítico está relacionado con la temperatura crítica debido a que el Hc (campo magnético crítico) aparece cuando el superconductor llega a su temperatura crítica.
Aplicaciones actuales superconductores.
de
los
Trenes que levitan Estos tipos de trenes son muy novedosos debido a que circulan suspendidos encima de rieles. ¿Cómo es esto posible? Simplemente es el efecto Meissner actuando en los imanes superconductores de baja temperatura en las superficies de los trenes. La fuerza electromagnética es tal que el tren levita y, además, pueden alcanzar velocidades de hasta 400Km/h (ver figura 7).
campos magnéticos no muy fuertes como los que son producidos en las corrientes cardíacas o cerebrales. Los squids permitieron el desarrollo de los magnetocardiogramas y los magnetoencefalogramas.
Conclusiones Figura 7. Tren que levita en Japón.
Aplicaciones Médicas RMN Gracias a que la compañía ICI Advanced Materials desarrolló bobinas de Y-Ba-Cu-O que están sumergidas en nitrógeno líquido se logró captar la primera imagen del cerebro humano en una resonancia magnética. Este máquina disminuye el número de barridos para procesar una imagen y, por lo tanto, los costos (ver figura 8).
Los materiales superconductores poseen ciertas propiedades, como la resistencia cero, la temperatura y campo crítico y el efecto Meissner, que los hacen especiales y únicos en el mundo. Gracias a los ganadores del premio nobel del año 1987 se ha logrado avanzar en su investigación y hoy en día esa tecnología es aplicada al mundo real como en la mecánica, biomedicina y electrónica.
Bibliografía Bruyn Ouboter, R. (1997). Onnes y el descubrimiento de la superconductividad . Espan Prensa Cientifica. a: ̃ Buitrago, G. (2003). Materiales superconductores de la electricidad . Colombia: Universidad Pedago ́ gica y Tecnolo ́ gica de Colombia (UPTC). Anon, (2016). [Online] Dsiponible en: http://boletines.secv.es/upload/199130407.p df [Visitada 17 Sep. 2016].
Figura 8. RMN (Resonancia Magnética Nuclear) Squids Otra de las aplicaciones de los superconductores son los squids (acrónimo en inglés de Superconducting Quantum Interference Device). Estos son unos pequeños dispositivos son capaces de captar
