O que é supercondutividade? Materiais que desafiam as leis da resistência elétrica

A supercondutividade, descoberta há mais de um século, é um dos fenômenos mais fascinantes da física. Refere-se à capacidade de certos materiais de conduzir eletricidade sem resistência em temperaturas extremamente baixas. Este comportamento, que parece desafiar as leis clássicas da resistência eléctrica, abriu uma porta a novas aplicações em tecnologia, desde o desenvolvimento de ímanes poderosos na medicina até potenciais avanços na eficiência energética. Este artigo explora a natureza da supercondutividade, como ela ocorre e avança na busca por materiais supercondutores à temperatura ambiente. 

O que é supercondutividade? 

A supercondutividade foi descoberta em 1911 pelo físico holandês Heike Kamerlingh Onnes, que observou que o mercúrio, quando resfriado próximo ao zero absoluto (-273,15 °C ou 0 K), sofreu uma queda acentuada em sua resistência elétrica até se tornar praticamente nula. Num material supercondutor, os elétrons podem fluir sem impedimentos, eliminando perdas de energia que normalmente ocorrem devido à resistência elétrica. Isto significa que a corrente elétrica poderia fluir indefinidamente em um circuito fechado sem a necessidade de energia adicional. 

Desde esta descoberta, vários materiais, incluindo metais como o nióbio e o chumbo, bem como alguns óxidos cerâmicos, também demonstraram apresentar supercondutividade quando resfriados a temperaturas extremamente baixas. No entanto, os mecanismos subjacentes da supercondutividade não foram totalmente compreendidos até a década de 1950. 

Teoria BCS e o fenômeno do par de Cooper 

A explicação científica para a supercondutividade surgiu em 1957 com a teoria BCS (Bardeen-Cooper-Schrieffer), que recebeu esse nome em homenagem aos seus criadores. Esta teoria descreve como os elétrons em um material supercondutor, em baixas temperaturas, formam o que é conhecido como pares de Cooper. 

Em condições normais, os elétrons se repelem devido à sua carga negativa, mas em um supercondutor, esses elétrons podem formar pares de Cooper graças às vibrações da rede cristalina do material, conhecidas como fônons. Os pares de Cooper se comportam coletivamente como uma entidade única, permitindo que os elétrons se movam sem se dispersarem no material, ou seja, sem gerar resistência. Ao quebrar a resistência, o material permite o fluxo de eletricidade sem perda de energia. 

Supercondutividade de alta temperatura: o próximo grande salto 

Durante décadas, a supercondutividade só tinha sido observada em temperaturas próximas do zero absoluto, até que uma descoberta em 1986 transformou o campo da física dos materiais. Os físicos Karl Müller e Johannes Bednorz encontraram supercondutividade em um compósito cerâmico baseado em óxidos de cobre e lantânio (conhecido como cuprato) a -238°C, uma temperatura notavelmente alta em comparação com os supercondutores tradicionais. Esta descoberta foi revolucionária, pois sugeriu que a supercondutividade não se limitava apenas aos metais e abriu a porta para o campo dos “supercondutores de alta temperatura”. 

Desde então, outros materiais com supercondutividade em temperaturas mais elevadas foram descobertos, embora ainda necessitem de resfriamento com nitrogênio líquido, a -196 °C, um refrigerante mais econômico que o hélio líquido. Embora ainda seja uma limitação, os supercondutores de alta temperatura são mais práticos para determinadas aplicações tecnológicas, uma vez que o custo de resfriamento é consideravelmente menor. 

Supercondutores à temperatura ambiente: um sonho possível? 

Um dos maiores desafios científicos é descobrir ou criar um material supercondutor que funcione à temperatura ambiente. Isso revolucionaria a indústria elétrica, a computação e as áreas de transporte e armazenamento de energia. Em 2020, uma equipe de pesquisadores da Universidade de Rochester, nos Estados Unidos, afirmou ter criado um material à base de hidrogênio, enxofre e carbono que exibia propriedades supercondutoras a uma temperatura de 15°C sob pressões extremamente altas (267 gigapascais, aproximadamente dois milhões de vezes a pressão atmosférica). Este resultado foi um avanço na busca pela supercondutividade em temperaturas alcançáveis ​​sem resfriamento extremo. 

No entanto, as condições de alta pressão exigidas para este material representam desafios técnicos significativos, pois são difíceis de manter em aplicações práticas. Apesar destas limitações, os avanços nos materiais supercondutores à temperatura ambiente geram esperança na comunidade científica e na indústria, que espera um dia ter materiais supercondutores sem a necessidade de sistemas de refrigeração caros e complicados. 

Aplicações tecnológicas da supercondutividade 

A supercondutividade tem diversas aplicações na tecnologia moderna, especialmente em campos onde a eficiência energética e campos magnéticos poderosos são essenciais. 

1. Equipamento de ressonância magnética (MRI) e ressonância magnética (MRI) 

Ímãs supercondutores são usados ​​em equipamentos de ressonância magnética (MRI) em hospitais. Esses dispositivos geram poderosos campos magnéticos que permitem a obtenção de imagens detalhadas do corpo humano. Os supercondutores reduzem o custo operacional desses equipamentos, pois permitem manter o campo magnético sem perdas de energia. 

2. Aceleradores de partículas 

Aceleradores de partículas, como o Large Hadron Collider (LHC) na Suíça, dependem de ímãs supercondutores para guiar partículas subatômicas através de longas trajetórias circulares a velocidades próximas à da luz. Os supercondutores são essenciais para atingir os níveis de energia necessários sem perdas e têm sido fundamentais em experiências que procuram responder a questões fundamentais sobre a natureza da matéria e do universo. 

3. Armazenamento e transmissão de energia 

A supercondutividade também está sendo explorada como uma solução para melhorar a eficiência na transmissão de eletricidade. Cabos supercondutores podem transportar grandes quantidades de corrente elétrica sem perdas, o que poderia reduzir as perdas de energia nas redes elétricas. Além disso, em aplicações de armazenamento de energia, estão sendo desenvolvidos dispositivos como bobinas supercondutoras de armazenamento de energia (SMES), que permitem armazenar grandes quantidades de energia na forma de campos magnéticos. Isto seria útil em sistemas de energia renovável, onde é necessário um armazenamento eficiente de energia. 

4. Maglev: trens de levitação magnética 

Os supercondutores também estão por trás da tecnologia dos trens de levitação magnética, ou Maglev, que usam poderosos campos magnéticos para flutuar nos trilhos sem contato físico. Isto reduz o atrito, permitindo que os trens atinjam velocidades extremamente altas e melhorem a eficiência energética. 

Desafios e o futuro da supercondutividade 

Apesar dos avanços no estudo de materiais supercondutores, existem desafios significativos. A necessidade de baixas temperaturas continua a ser uma barreira para muitas aplicações comerciais. Além disso, alguns dos supercondutores de alta temperatura conhecidos são frágeis e difíceis de manusear, limitando a sua utilização em ambientes industriais. 

A descoberta da supercondutividade à temperatura ambiente sob alta pressão foi um desenvolvimento emocionante, mas para tornar os supercondutores úteis em um ambiente real, é necessário um material que seja supercondutor sob condições normais de pressão e temperatura. Os investigadores estão a explorar diferentes combinações de materiais e tecnologias para atingir este objetivo, e novas abordagens estão a ser desenvolvidas, como a utilização de materiais exóticos e técnicas avançadas de manipulação de átomos e moléculas. 

O futuro 

A supercondutividade é um fenômeno que desafia as leis clássicas da resistência elétrica e tem potencial para transformar uma ampla variedade de indústrias. Desde as suas primeiras observações em mercúrio até aos avanços em materiais que alcançam a supercondutividade à temperatura ambiente sob alta pressão, a supercondutividade percorreu um longo caminho. Embora ainda haja um longo caminho a percorrer, os avanços neste domínio poderão levar-nos a um futuro onde a eletricidade seja transmitida sem perdas, os dispositivos médicos sejam mais eficientes e os transportes sejam mais rápidos e sustentáveis. 

O futuro da supercondutividade depende da inovação na ciência e tecnologia dos materiais e promete um mundo em que as actuais limitações energéticas e de eficiência possam ser ultrapassadas.