Supercondutores - Química do estado sólido

QUÍMICA DO ESTADO SÓLIDO

Os óxidos, como a sílica, normalmente são isolantes porque seus elétrons estão fortemente associados com as ligações individuais ou íons. Os metais podem ser bons condutores porque seus elétrons estão relativamente livres. Mas há óxidos que podem se tornar condutores metálicos, ou mesmo supercondutores. Os mais interessantes contém átomos de valência 'misturados', como o cobre, que pode deixar livre um número variável de elétrons quando ligado. De acordo com as idéias de Linus Pauling sobre ligações químicas, olhando para a coordenação destes átomos, podemos inferir algo sobre a sua valência.

YBa₂Cu₃O₇

COBRE EM ÓXIDO CERÂMICO

Por exemplo, vejamos a coordenação do cobre em um dos novos óxidos cerâmicos supercondutores YBa₂Cu₃O₇ (YBCO). O cobre (Cu) é representado pelos átomos verdes, o oxigênio é como sempre vermelho e o bário é azul. Pode-se ver que há dois tipos de átomos de cobre -aqueles que são coordenados por 4 átomos de oxigênio (losangos verdes), típico do íon divalente Cu++, e aqueles que têm um quinto átomo de oxigênio (pirâmides verdes). Este material tem resistência elétrica zero até mesmo na temperatura do ar líquido - baixa, mas possível de ser alcançada. Este é fato é verdadeiramente incrível, e, há alguns anos atrás, teria sido pensado como impossível.

YBa ₂Cu₃O₆

Se aquecermos este magnífico supercondutor na ausência de oxigênio, ele perde um de seus átomos de oxigênio e se torna o isolante YBa₂Cu₃O₆ com uma estrutura bem parecida à que lhe deu origem. O oxigênio é perdido de um local bem particular: as cadeias de CuO₄ (losangos). O cobre nestes losangos é deixado com só dois átomos de oxigênio, típico do íon monovalente Cu+. Diz-se que o cobre é reduzido de Cu++ para Cu+. O oxigênio e a supercondutividade podem ser restabelecidos novamente através da oxidação do cobre de Cu+ para Cu++. A química do estado sólido é claramente a responsável por estas propriedades elétricas incomuns.

RESERVATÓRIO DE CARGA

Contudo, não são as cadeias de CuO₄ as responsáveis pela supercondutividade no YBCO. Muitos materiais semelhantes, que conduzem em temperaturas até mais elevadas, podem ser fabricados substituindo-se estas cadeias por camadas de outros materiais, como óxidos de metais pesados. A difração de nêutrons em óxidos supercondutores indicou que a oxidação destas camadas (que atuam como reservatórios de carga) resulta na oxidação formal dos planos das pirâmides de óxido de cobre (Cu++ para Cu+++), devido à transferência de carga. Este entendimento empírico da química do estado sólido conduziu diretamente à descoberta de muitos outros materiais supercondutores semelhantes.

Acreditamos que a supercondutividade é decorrente de uma interação entre os elétrons, cujos detalhes ainda não são completamente compreendidos. Interações entre momentos magnéticos que são produzidos pelo movimento de elétrons resultam em outros materiais fascinantes e úteis - imãs cerâmicos e materiais magneto-resistivos.

Nos concentramos nas estruturas de materiais relativamente simples e que são de interesse na engenharia mecânica. Além delas, há uma infinidade de outros casos extremamente interessantes.