Óxido de ítrio, bário e cobre - Yttrium barium copper oxide
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| Nomes | |
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Nome IUPAC
óxido de ítrio de bário e cobre
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| Outros nomes
YBCO, Y123, cuprato de bário de ítrio
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| Identificadores | |
| ChemSpider | |
| ECHA InfoCard |
100.121.379 
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| Número EC | |
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PubChem CID
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Painel CompTox ( EPA )
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| Propriedades | |
| YBa 2 Cu 3 O 7 | |
| Massa molar | 666,19 g / mol |
| Aparência | Sólido preto |
| Densidade | 6,3 g / cm 3 |
| Ponto de fusão | > 1000 ° C |
| Insolúvel | |
| Estrutura | |
| Baseado na estrutura perovskita . | |
| Ortorrômbico | |
| Perigos | |
| Pictogramas GHS |
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| Palavra-sinal GHS | Aviso |
| H302 , H315 , H319 , H335 | |
| P261 , P264 , P270 , P271 , P280 , P301 + 312 , P302 + 352 , P304 + 340 , P305 + 351 + 338 , P312 , P321 , P330 , P332 + 313 , P337 + 313 , P362 , P403 + 233 , P405 , P501 | |
| Compostos relacionados | |
| Supercondutores de cuprato | |
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Compostos relacionados
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Óxido de ítrio (III) Óxido de bário Óxido de cobre (II) |
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Exceto onde indicado de outra forma, os dados são fornecidos para materiais em seu estado padrão (a 25 ° C [77 ° F], 100 kPa). |
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 verificar (o que é ?)
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| Referências da Infobox | |
Óxido de ítrio, bário e cobre ( YBCO ) é uma família de compostos químicos cristalinos , famosa por exibir supercondutividade em alta temperatura . Inclui o primeiro material já descoberto a se tornar supercondutor acima do ponto de ebulição do nitrogênio líquido (77 K ) em cerca de 92 K. Muitos compostos YBCO têm a fórmula geral Y Ba 2 Cu 3 O 7− x (também conhecido como Y123), embora existem materiais com outras razões Y: Ba: Cu, como Y Ba 2 Cu 4 O y (Y124) ou Y 2 Ba 4 Cu 7 O y (Y247). No momento, não existe uma teoria singularmente reconhecida para a supercondutividade de alta temperatura.
Faz parte do grupo mais geral de óxidos de cobre e bário de terras raras (ReBCO) em que, em vez de ítrio, outras terras raras estão presentes.
História
Em abril de 1986, Georg Bednorz e Karl Müller , trabalhando na IBM em Zurique , descobriram que certos óxidos semicondutores se tornaram supercondutores em temperatura relativamente alta, em particular, um óxido de cobre e bário de lantânio se tornou supercondutor a 35 K. Este óxido era uma perovskita deficiente em oxigênio material relacionado que se mostrou promissor e estimulou a busca por compostos relacionados com maiores temperaturas de transição supercondutora. Em 1987, Bednorz e Müller receberam conjuntamente o Prêmio Nobel de Física por este trabalho.
Após a descoberta de Bednorz e Müller, uma equipe da Universidade do Alabama em Huntsville e da Universidade de Houston descobriu que YBCO tem uma temperatura crítica de transição supercondutora ( T c ) de 93 K. As primeiras amostras foram Y 1,2 Ba 0,8 Cu O 4 , mas isso era uma composição média para duas fases, uma preta e uma verde. Trabalhadores do Carnegie Institution of Washington descobriram que a fase preta (que acabou por ser o supercondutor) tinha a composição YBa 2 Cu 3 O 7 − δ .
YBCO foi o primeiro material encontrado a se tornar supercondutor acima de 77 K, o ponto de ebulição do nitrogênio líquido , enquanto a maioria dos outros supercondutores requerem criogênios mais caros. No entanto, a YBCO e seus muitos materiais relacionados ainda precisam deslocar supercondutores que requerem hélio líquido para resfriamento.
Síntese
YBCO relativamente puro foi sintetizado pela primeira vez aquecendo uma mistura de carbonatos de metal a temperaturas entre 1000 e 1300 K.
- 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
As sínteses modernas de YBCO usam os óxidos e nitratos correspondentes.
As propriedades supercondutoras de YBa 2 Cu 3 O 7− x são sensíveis ao valor de x , seu conteúdo de oxigênio. Apenas aqueles materiais com 0 ≤ x ≤ 0,65 são supercondutores abaixo de T c , e quando x ~ 0,07, o material superconduta na temperatura mais alta de 95 K, ou nos campos magnéticos mais altos: 120 T para B perpendicular e 250 T para B paralelo a os planos CuO 2 .
Além de ser sensível à estequiometria do oxigênio, as propriedades do YBCO são influenciadas pelos métodos de cristalização utilizados. Deve-se ter cuidado ao sinterizar YBCO. YBCO é um material cristalino e as melhores propriedades supercondutoras são obtidas quando os limites dos grãos do cristal são alinhados por um controle cuidadoso das taxas de temperatura de recozimento e têmpera .
Vários outros métodos para sintetizar YBCO foram desenvolvidos desde sua descoberta por Wu e seus colegas de trabalho, como deposição química de vapor (CVD), sol-gel e métodos de aerossol . Esses métodos alternativos, no entanto, ainda requerem sinterização cuidadosa para produzir um produto de qualidade.
No entanto, novas possibilidades foram abertas desde a descoberta de que o ácido trifluoroacético ( TFA ), uma fonte de flúor, evita a formação do carbonato de bário indesejado (BaCO 3 ). Rotas como CSD (deposição de solução química) abriram uma ampla gama de possibilidades, particularmente na preparação de longas fitas YBCO. Esta rota reduz a temperatura necessária para obter a fase correta para cerca de 700 ° C. Isso, e a falta de dependência do vácuo, torna esse método uma maneira muito promissora de obter fitas YBCO escalonáveis.
Estrutura
YBCO cristaliza em uma estrutura de perovskita defeituosa que consiste em camadas. O limite de cada camada é definido por planos de unidades quadradas planas de CuO 4 compartilhando 4 vértices. Os aviões às vezes podem ser ligeiramente enrugados. Perpendiculares a esses planos de CuO 4 estão fitas de CuO 2 compartilhando 2 vértices. Os átomos de ítrio são encontrados entre os planos de CuO 4 , enquanto os átomos de bário são encontrados entre as fitas de CuO 2 e os planos de CuO 4 . Este recurso estrutural é ilustrado na figura à direita.
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| cúbico {YO 8 } | {BaO 10 } | planar quadrado {CuO 4 } | piramidal quadrada {CuO 5 } | YBa 2 Cu 3 O 7 - célula unitária |
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| avião Cu enrugado | Fitas de cobre |
Embora YBa 2 Cu 3 O 7 seja um composto químico bem definido com uma estrutura e estequiometria específicas, materiais com menos de sete átomos de oxigênio por unidade de fórmula são compostos não estequiométricos . A estrutura desses materiais depende do conteúdo de oxigênio. Essa não estequiometria é denotada por x na fórmula química YBa 2 Cu 3 O 7− x . Quando x = 1, os sítios O (1) na camada Cu (1) estão vazios e a estrutura é tetragonal . A forma tetragonal do YBCO é isolante e não superconduta. Aumentar ligeiramente o conteúdo de oxigênio faz com que mais locais O (1) sejam ocupados. Para x <0,65, cadeias de Cu-O ao longo do eixo b do cristal são formadas. O alongamento do eixo b muda a estrutura para ortorrômbica , com parâmetros de rede de a = 3,82, b = 3,89 e c = 11,68 Å. Propriedades supercondutoras ótimas ocorrem quando x ~ 0,07, ou seja, quase todos os sítios O (1) estão ocupados, com poucas vagas.
Em experimentos onde outros elementos são substituídos nos sítios Cu e Ba, evidências mostraram que a condução ocorre nos planos Cu (2) O, enquanto as cadeias Cu (1) O (1) atuam como reservatórios de carga, que fornecem portadores para o CuO aviões. No entanto, este modelo não aborda a supercondutividade no homólogo Pr123 ( praseodímio em vez de ítrio). Esta (condução nos planos de cobre) confina a condutividade aos planos a - b e uma grande anisotropia nas propriedades de transporte é observada. Ao longo do eixo c , a condutividade normal é 10 vezes menor do que no plano a - b . Para outros cupratos da mesma classe geral, a anisotropia é ainda maior e o transporte interplano é altamente restrito.
Além disso, as escalas de comprimento supercondutor mostram anisotropia semelhante, tanto em profundidade de penetração (λ ab ≈ 150 nm, λ c ≈ 800 nm) e comprimento de coerência, (ξ ab ≈ 2 nm, ξ c ≈ 0,4 nm). Embora o comprimento de coerência no plano a - b seja 5 vezes maior do que ao longo do eixo c, ele é bem pequeno em comparação com supercondutores clássicos como o nióbio (onde ξ ≈ 40 nm). Este comprimento de coerência modesto significa que o estado supercondutor é mais suscetível a interrupções locais de interfaces ou defeitos na ordem de uma única célula unitária, como a fronteira entre domínios de cristal gêmeos. Essa sensibilidade a pequenos defeitos complica a fabricação de dispositivos com YBCO, e o material também é sensível à degradação por umidade.
Candidaturas propostas
Muitas aplicações possíveis deste e de materiais supercondutores de alta temperatura relacionados foram discutidas. Por exemplo, materiais supercondutores estão encontrando uso como ímãs em imagens de ressonância magnética , levitação magnética e junções Josephson . (O material mais usado para cabos de alimentação e ímãs é o BSCCO .)
YBCO ainda não foi usado em muitas aplicações envolvendo supercondutores por duas razões principais:
- Primeiro, embora os cristais únicos de YBCO tenham uma densidade de corrente crítica muito alta, os policristais têm uma densidade de corrente crítica muito baixa : apenas uma pequena corrente pode ser passada, mantendo a supercondutividade. Este problema é devido aos limites dos grãos do cristal no material. Quando o ângulo de limite de grão é maior do que cerca de 5 °, a supercorrente não pode cruzar o limite. O problema de contorno de grão pode ser controlado até certo ponto preparando filmes finos via CVD ou texturizando o material para alinhar os contornos de grão.
- Um segundo problema que limita o uso deste material em aplicações tecnológicas está associado ao processamento do material. Materiais óxidos como este são quebradiços e transformá-los em fios supercondutores por qualquer processo convencional não produz um supercondutor útil. (Ao contrário do BSCCO , o processo de pó no tubo não dá bons resultados com YBCO.)
O método mais promissor desenvolvido para utilizar este material envolve a deposição de YBCO em fitas metálicas flexíveis revestidas com óxidos metálicos tamponantes. Isso é conhecido como condutor revestido . A textura (alinhamento do plano do cristal) pode ser introduzida na fita metálica (processo RABiTS) ou uma camada tampão de cerâmica texturizada pode ser depositada, com o auxílio de um feixe de íons, sobre um substrato de liga não texturizado ( processo IBAD ). As camadas de óxido subsequentes evitam a difusão do metal da fita para o supercondutor, enquanto transfere o molde para texturizar a camada supercondutora. Variantes novas em CVD, PVD e técnicas de deposição de solução são usadas para produzir comprimentos longos da camada YBCO final em altas taxas. As empresas que buscam esses processos incluem American Superconductor , Superpower (uma divisão da Furukawa Electric ), Sumitomo , Fujikura , Nexans Superconductors, Commonwealth Fusion Systems e European Advanced Superconductors. Um número muito maior de institutos de pesquisa também produziu fitas YBCO por meio desses métodos.
A fita supercondutora pode ser a chave para um projeto de reator de fusão tokamak que pode atingir a produção de energia de equilíbrio . O YBCO é frequentemente classificado como um óxido de cobre e bário de terras raras (REBCO).
Modificação de superfície
A modificação da superfície dos materiais freqüentemente leva a propriedades novas e aprimoradas. Inibição de corrosão, adesão de polímero e nucleação, preparação de estruturas supercondutoras / isolantes / supercondutoras de alto T c orgânicas e a fabricação de junções de túnel de metal / isolante / supercondutor foram desenvolvidas usando YBCO modificado de superfície.
Esses materiais em camadas moleculares são sintetizados usando voltametria cíclica . Até agora, YBCO em camadas com alquilaminas, arilaminas e tióis foram produzidos com estabilidade variável da camada molecular. Foi proposto que as aminas agem como bases de Lewis e se ligam a sítios de superfície de Cu ácido de Lewis em YBa 2 Cu 3 O 7 para formar ligações de coordenação estáveis .
Uso amador
Pouco depois de ser descoberto, o físico e autor de ciências Paul Grant publicou no UK Journal New Scientist um guia direto para sintetizar supercondutores YBCO usando equipamentos amplamente disponíveis. Graças em parte a este artigo e publicações semelhantes na época, YBCO se tornou um supercondutor de alta temperatura popular para uso por amadores e na educação, já que o efeito de levitação magnética pode ser facilmente demonstrado usando nitrogênio líquido como refrigerante.