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Adam Fenster

Biotecnología

Hito científico: la superconductividad a temperatura ambiente ya es real

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El material se ha comportado como superconductor a 14,4 °C, algo que la ciencia lleva persiguiendo durante décadas. Aunque aún depende de una presión muy alta y sus responsables no entienden bien por qué funciona, es un avance impresionante que podría revolucionar la energía y la computación cuántica

  • por Konstantin Kakaes | traducido por Ana Milutinovic
  • 19 Octubre, 2020

Los superconductores a temperatura ambiente (materiales que conducen la electricidad con cero resistencia sin necesidad de un enfriamiento especial) son el tipo de milagro tecnológico que cambiaría la vida diaria. Podrían revolucionar la red eléctrica y permitir la levitación de trenes, entre muchas otras posibles aplicaciones.

Pero, hasta ahora, siempre habían tenido que enfriarse a temperaturas extremadamente bajas para actuar como superconductores, lo que ha restringido su uso como tecnología de nicho (aunque de gran importancia). Durante décadas, parecía que la superconductividad a temperatura ambiente siempre iba a estar fuera de nuestro alcance, pero en los últimos cinco años, algunos grupos de investigación de todo el mundo se han centrado en conseguirla en el laboratorio.

Uno de ellos acaba de conseguirlo.

En un artículo publicado recientemente en Nature, los autores informan que lograron la superconductividad a temperatura ambiente en un compuesto de hidrógeno, azufre y carbono a una temperatura de 14,4 °C. El récord anterior estaba en -13,3 °C gracias al trabajo de un grupo de la Universidad George Washington y la Institución Carnegie en Washington (EE. UU.), en 2018 (otro grupo en el Instituto Max Planck de Química en Mainz (Alemania), lo consiguió a -23,15 °C, aproximadamente al mismo tiempo. Al igual que los anteriores, el nuevo récord se logró bajo presiones extremadamente altas, aproximadamente dos millones y medio de veces mayor a la del aire que respiramos.

El físico computacional de la Universidad Sapienza de Roma (Italia) José Flores-Livas, quien crea modelos que explican la superconductividad de alta temperatura y no participó directamente en este trabajo, afirma: "Es un hito. En un par de años hemos pasado de -73,15 °C a -23,15°C y ahora a 14,4°C. Estoy bastante seguro de que llegaremos a superar los 25 °C".

Las corrientes eléctricas son cargas eléctricas que fluyen, generalmente compuestas por electrones. Los conductores como los alambres de cobre tienen muchos electrones sueltos. Cuando se les aplica un campo eléctrico, esos electrones fluyen con relativa libertad. Pero incluso los mejores conductores como el cobre ofrecen resistencia: se calientan cuando transportan la electricidad.

La superconductividad, en la que los electrones fluyen a través de un material sin resistencia, parece imposible a primera vista. Es como si pudiéramos conducir a toda velocidad a través del centro de una ciudad atascada, sin parar nunca en un semáforo. Pero en 1911, el físico holandés Heike Kamerlingh Onnes descubrió que el mercurio se convertía en un superconductor al enfriarse a unos pocos grados por encima del cero absoluto (alrededor de -273 °C). Pronto observó ese fenómeno en otros metales como el aluminio y el plomo.

Durante muchas décadas después, la superconductividad solo pudo generarse a temperaturas extremadamente bajas. Luego, a finales de 1986 y principios de 1987, el grupo de investigadores del laboratorio de IBM en Zúrich (Suiza) descubrió que ciertos óxidos cerámicos podían ser superconductores a temperaturas tan altas como -181 °C, y lo que es importante, por encima de la temperatura de ebullición del nitrógeno líquido, que es de -196 °C. Esto transformó el estudio de la superconductividad en aplicaciones como las resonancias magnéticas hospitalarias, por ejemplo, porque el nitrógeno líquido es barato y fácil de manejar. (El helio líquido, aunque más frío, es mucho más delicado y caro). El gran avance en la década de 1980 llevó a la frenética suposición de que la superconductividad a temperatura ambiente podría ser viable. Pero ese sueño había resultado difícil de realizar hasta la investigación que se acaba de comunicar.

Bajo presión

Una forma para que los superconductores funcionen consiste en que los electrones que fluyen a través de ellos se "acoplen" con los fonones (vibraciones en la red atómica de la que está compuesto el material). Los teóricos creen que el hecho de que los dos estén sincronizados permite que los electrones fluyan sin resistencia. Las bajas temperaturas pueden crear las circunstancias para que dichos pares se formen en una amplia variedad de materiales. En 1968, el investigador de la Universidad de Cornell (EE. UU.) Neil Ashcroft postuló que, bajo altas presiones, el hidrógeno también actuaría como un superconductor. Al obligar a los átomos a agruparse muy juntos, las altas presiones cambian la forma en la que se comportan los electrones y, en algunas circunstancias, permiten que se formen pares de electrones y fonones.

Durante décadas, los científicos intentaron comprender cuáles son esas circunstancias y averiguar qué otros elementos podrían mezclarse con el hidrógeno para lograr la superconductividad a temperaturas progresivamente más altas y presiones más bajas.

En el trabajo detallado en el artículo mencionado, los investigadores de la Universidad de Rochester (EE. UU.) y sus colegas primero mezclaron carbono y azufre en una proporción de uno a uno, molieron la mezcla hasta formar pequeñas bolas y luego las comprimieron entre dos diamantes mientras inyectaban hidrógeno en estado gaseoso. Durante varias horas un láser fue dirigido hacia el compuesto para romper los enlaces entre los átomos de azufre, cambiando así la química del sistema y el comportamiento de los electrones en la muestra. El cristal resultante no es estable a bajas presiones, pero sí que es superconductor. También es muy pequeño: bajo las altas presiones a las que sirve como superconductor, tiene aproximadamente 30 millonésimas de metro de diámetro.

Los detalles exactos de por qué funciona este compuesto no se saben del todo; los investigadores ni siquiera están seguros de qué compuesto han formado exactamente. Pero están desarrollando nuevas herramientas para descubrir qué es y confían en que, cuando lo consigan, podrán modificar la composición para que el compuesto pueda seguir siendo superconductor a presiones más bajas.

Bajar a 100 gigapascales, aproximadamente a la mitad de las presiones que se utilizaron en el trabajo publicado en Nature, permitiría comenzar a industrializar los "sensores súper pequeños con una resolución muy alta ", opina Flores-Livas. Los sensores magnéticos precisos se utilizan en la prospección de minerales y también para detectar la activación de las neuronas en el cerebro humano, así como en la fabricación de nuevos materiales para el almacenamiento de datos. Un sensor magnético preciso y de bajo coste es el tipo de tecnología que no suena muy atractiva, pero hace realidad muchas otras.

Y si estos materiales logran escalarse desde pequeños cristales presurizados a tamaños más grandes que funcionan no solo a temperatura ambiente sino también a presión ambiental, sería el inicio de un cambio tecnológico mucho más profundo.  El modelador computacional de la Universidad de Uppsala (Suecia), Ralph Scheicher, señala que no se sorprendería si esto sucediera "en la próxima década".

La resistencia es inútil

Las formas en las que se genera, transmite y distribuye la electricidad se transformarían radicalmente por superconductores económicos y efectivos a temperatura ambiente y más grandes que unas pocas millonésimas de metro. Aproximadamente el 5 % de la electricidad generada en Estados Unidos se pierde en transmisión y distribución, según la Administración de Información Energética. Evitar esta pérdida, para empezar, ahorraría miles de millones de euros y tendría un significativo impacto climático.

Pero los superconductores a temperatura ambiente no solo cambiarían el sistema que tenemos, también habilitarían un sistema completamente nuevo. Los transformadores, que son cruciales para la red eléctrica, podrían volverse más pequeños, más baratos y más eficientes. También los motores y generadores eléctricos. El almacenamiento de la energía superconductora se utiliza actualmente para suavizar las fluctuaciones a corto plazo en la red eléctrica, pero sigue siendo un nicho relativamente pequeño porque se necesita mucha energía para mantener fríos los superconductores. Los superconductores a temperatura ambiente, especialmente si se pueden diseñar para resistir los campos magnéticos fuertes, podrían servir como una forma muy eficiente de almacenar grandes cantidades de energía durante períodos de tiempo más largos, volviendo más efectivas las fuentes de energía renovable pero intermitente, como las turbinas eólicas y las placas solares.

Y debido a que el flujo de electricidad crea campos magnéticos, los superconductores también se pueden utilizar para generar potentes imanes para diversas aplicaciones como máquinas de resonancia magnética y trenes levitantes. Los superconductores también son un potencial de gran importancia en el emergente campo de la computación cuántica.

Los cúbits superconductores ya son la base de algunos de los ordenadores cuánticos más potentes del mundo. Contar con la capacidad de crear tales cúbits sin tener que enfriarlos no solo lograría que los ordenadores cuánticos sean más sencillos, más pequeños y más baratos, también podría conducir a un progreso más rápido en la creación de sistemas con muchos cúbits, en función de las propiedades exactas de los superconductores creados.

Todas estas aplicaciones son, en principio, alcanzables con los superconductores que se tienen que enfriar a bajas temperaturas para funcionar. Pero si hay que enfriarlos de manera tan radical, se pierden muchos, en algunos casos todos, los beneficios que se obtienen de la falta de resistencia eléctrica. También los vuelve más complicados, costosos y propensos a fallos.

Queda por ver si los científicos consiguen idear algunos compuestos estables que sean superconductores no solo a temperatura ambiente, sino también a presión ambiental. Pero los investigadores son optimistas. Concluyen su artículo con esta tentadora afirmación: "Puede que sea factible un material superconductor sólido a temperatura ambiente que transformaría la economía de la energía y el procesamiento y la detección de la información cuántica".

Biotecnología

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