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Materiales superconductores: tecnología clave en el siglo XXI

11/04/2012

En ciertas condiciones se observan en algunos materiales, los superconductores, propiedades eléctricas y magnéticas excepcionales. Por ejemplo, la resistencia al paso de corriente continua es nula. Las aplicaciones de los superconductores están cada vez más presentes en la vida cotidiana y es fácil prever que tendrán especial importancia en el
desarrollo de nuevas tecnologías durante este siglo. Antón Fente, estudiante del máster de Física de la Materia Condensada y Nanotecnología en la UAM y joven investigador del Laboratorio de Bajas Temperaturas, presenta aquí una contextualización de la superconductividad y habla sobre la visita la UAM del Profesor Paul C. Canfield, distinguido experto en estos y otros materiales de interés actual.

Por Antón G. Fente Hernández

La sociedad actual se enfrenta a un profundo cambio en la producción y uso de la energía y por ello se hacen necesarios nuevos métodos de generación, distribución y gestión más racionales, justos y eficientes. La comunidad científica recoge el testigo, aportando nuevas tecnologías para formar una sociedad en armonía con el medio ambiente.

Cien años después de su descubrimiento en 1908 por H. Kamerlingh Onnes, la superconductividad ha dado pasos de gigante, aportando teorías y conceptos que se aplican en numerosas ramas de la Física, desde los inicios del Universo, hasta las estrellas de neutrones, y ha transformado varios aspectos de nuestra vida cotidiana. Sin duda la mejora más conocida en este sentido es la relacionada con la toma de imágenes en medicina, en concreto la resonancia magnética, donde se utilizan campos magnéticos generados por solenoides superconductores. La superconductividad también ha hecho posible experimentos únicos como el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN, y forma parte del núcleo del desarrollo tecnológico en el Reactor Termonuclear Experimental Internacional (ITER).

Dadas las necesidades de la vida moderna y la creciente actividad empresarial alrededor de ITER, LHC, y numerosas iniciativas científicas a menor escala, es fácil prever que el papel de la superconductividad en las tecnologías del siglo XXI será clave y que su uso a gran escala en aplicaciones de la vida cotidiana está cada vez más cerca. Muchos científicos e ingenieros opinan que la superconductividad transformará en poco tiempo la red eléctrica, ayudando al desarrollo de la red “inteligente” (smart grid), capaz de adaptar el consumo a la producción de forma eficaz, enfrentándose al problema de la producción irregular de energía de fuentes limpias.

La superconductividad tiene potencial para impactar notablemente sobre todos los aspectos de la generación y distribución de electricidad:

  • En la generación, a través de, por ejemplo, la construcción de aerogeneradores de 10 MW.
  • En el almacenamiento.
  • En la distribución, a través de cables más eficaces.
  • En la conversión de energía, a través de limitadores de corriente o transformadores.
  • En el consumidor, a través de máquinas rotativas (motores) más pequeños y eficientes.

La ciencia y tecnología de la superconductividad se encuentra en un punto medio entre la ciencia de los materiales, la química, la física y la ingeniería. En particular, han sido los descubrimientos en ciencia de los materiales [1] los que han revolucionado regularmente cada 5-10 años el campo. Los superconductores a base de NbTi y Nb3Sn, que son los más utilizados actualmente, se desarrollaron a lo largo de los años 70. En los 80 se descubrieron los superconductores de alta temperatura crítica (cupratos superconductores), y hoy en día hay una actividad muy fructífera alrededor de la fabricación de cables superconductores (en su mayoría en forma de cintas), que, en su segunda generación, presentan características muy útiles para numerosas aplicaciones.

El descubrimiento de MgB2 en los años 90 supuso una sorpresa para muchos físicos, y un cambio en la estrategia de búsqueda de nuevos materiales. Este caso es especialmente significativo, ya que, en menos de 10 años, se ha conseguido entender completamente los principios que rigen la superconductividad en este material, y fabricar las primeras aplicaciones. Más recientemente, los pnicturos de hierro y materiales similares, generan gran actividad.

Además, el coste de enfriamiento, necesario hasta ahora para alcanzar el estado de superconductividad, ha caído considerablemente a lo largo de las últimas décadas. Hoy día existen numerosas alternativas comerciales para llegar a temperaturas de aproximadamente 20 K con un coste asumible, a base de refrigeradores de Stirling o de tubos pulsados. Es por tanto más relevante para el desarrollo de nuevas aplicaciones  obtener corrientes críticas elevadas o sistemas en los que la superconductividad soporte campos magnéticos más elevados, que subir la temperatura de funcionamiento. El desarrollo de las tecnologías del frío es parejo al de la superconductividad, y hoy en día ambos van de la mano en la búsqueda de nuevas aplicaciones.

Síntesis de monocristales superconductores por estudiantes UAM

El Profesor Paul C. Canfield, reconocido experto en la síntesis de nuevos materiales superconductores, visitó la Universidad Autónoma el último trimestre del año pasado. Con tal motivo se montó en el Laboratorio de Bajas Temperaturas el aparataje necesario para la síntesis de monocristales crecidos a partir de exceso de flujo. Gracias ello los alumnos del máster participamos en la síntesis de aleaciones binarias y ternarias que luego tendríamos la oportunidad de estudiar en profundidad.

Durante su estancia Canfield impartió seminarios sobre síntesis y caracterización de nuevos materiales. En ellos nos mostró la ventaja que supone disponer de muestras monocristalinas de gran pureza, ya que son sensibles a las anisotropías del material y facilitan la medida al minimizar los efectos de las impurezas. Esto hace más sencilla la comprensión del origen de los fenómenos que observamos en ellas.

Canfield no limitó sus clases al crecimiento del cristal como tal, sino que recorrió todo el proceso de síntesis, que como toda buena receta de cocina comienza planteando qué se quiere conseguir o qué se busca para saber qué ingredientes mezclar [2]. Ciertos elementos pueden ser buenos sustitutos para otros, por tener por ejemplo una estructura electrónica similar, y a la vez pueden dotar al material de propiedades magnéticas o aumentar su densidad.

Si queremos buscar nuevos materiales superconductores no basta con mezclar materiales al azar sino que resulta necesario saber cómo elegirlos, es decir, hay que desarrollar una intuición que nos acerque a las propiedades deseadas. Con objeto de mejorar y continuar con la síntesis de nuevos materiales en el LBT, visitaremos durante el verano al Grupo de Investigación de Canfield en el laboratorio Ames en Iowa (Estados Unidos).

La investigación en ciencia de materiales y en particular sobre la superconductividad resulta, como hemos dicho, indispensable dado el panorama actual, y solamente es posible si conocemos y comprendemos las propiedades que buscamos, siendo los monocristales una excepcional vía para hacerlo.  Además de esto, y a título personal, he de reconocer que el hecho de hacer medidas sobre cristales que uno mismo ha sintetizado añade una satisfacción extra a la investigación.

Referencias bibliográficas

[1] http://www.nicolascabrera.es 
[2] A cook's tale”, Paul C. Canfield - Nature Physics, Commentary (Vol 5) August 2009

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Autor/a

Antón Fente estudió el primer ciclo de física en la Universidad de Santiago de Compostela concluyó la licenciatura en la Universidad de Barcelona. Actualmente cursa el máster de física de la Materia Condensada y Nanotecnología en la UAM mientras trabaja en el Laboratorio de Bajas Temperaturas.