Grafite revela suas faces supercondutora e ferromagnética

Com informações da Agência Fapesp - 07/01/2013

O mundo vai mudar

Alguns elementos químicos, como o mercúrio, o chumbo e as ligas à base de nióbio, são capazes de conduzir corrente elétrica sem resistência nem perdas quando submetidos a baixíssimas temperaturas - na ordem de menos 270 graus Celsius.

São os chamados supercondutores.

Tal propriedade permitiu o desenvolvimento de poderosos eletroímãs usados, por exemplo, em máquinas de ressonância magnética, espectrômetros de massa, aceleradores de partículas, trens de levitação magnética e redes inteligentes capazes de transportar energia elétrica com maior eficiência.

A aplicação dessa tecnologia, no entanto, é limitada pela dificuldade e pelo custo do resfriamento extremo, geralmente feito com hélio ou nitrogênio líquido.

A busca de materiais capazes de se comportar como supercondutores em temperatura ambiente, portanto, tem mobilizado cientistas de todo o mundo, entre eles Yakov Kopelevich, professor da Universidade Estadual de Campinas (Unicamp).

"O máximo que já se conseguiu no meio acadêmico foi fazer um supercondutor funcionar em torno de menos 100 graus Celsius. Se realmente encontrarmos um supercondutor que funcione em temperatura ambiente, o mundo vai mudar," profetizou Kopelevich.

Devido aos custos de instalação e manutenção, o maior cabo supercondutor do mundo, instalado na Alemanha, tem pouco mais de 1 km de extensão.
[Imagem: Nexans]

Grafite supercondutor

Em 1999, Kopelevich observou evidências de supercondutividade no grafite - mineral composto por átomos de carbono - em uma faixa de temperatura que vai de menos 271 até 27 graus Celsius positivos.

"A grande dificuldade é que, embora existam características supercondutoras no grafite, elas se encontram somente em alguns locais do material. Precisamos achar meios de extrair esses elementos e potencializar o fenômeno. Não é uma tarefa simples, mas já encontramos um caminho para realizá-la," disse Kopelevich.

O pesquisador vem trabalhando com um método conhecido como dopagem eletrostática, que consiste em aplicar um campo elétrico sobre o material para forçar a redistribuição da carga elétrica na superfície.

"A ideia é trazer mais elétrons, que são os portadores de eletricidade, para a superfície do grafite. Aumentando a densidade de elétrons na superfície do material é possível induzir a supercondutividade", explicou.

Segundo Kopelevich, o Brasil possui uma das maiores e melhores reservas mundiais de grafite no Estado de Minas Gerais. "Se alcançarmos nosso objetivo, o Brasil será o melhor lugar para produzir supercondutores de grafite", afirmou.

O magnetismo inesperado do grafite entusiasmou pesquisadores da área da spintrônica.
[Imagem: Kees Flipse]

Ferromagnetismo no grafite

Embora sua principal linha de pesquisa seja no campo da supercondutividade, Kopelevich também se dedica a buscar meios de potencializar outra propriedade observada no grafite: o ferromagnetismo.

Nesse caso, o fenômeno também está concentrado em algumas partes do material, mas a oxidação do mineral amplia o efeito. "Para isso, basta transformar o grafite em pó e expor ao oxigênio," disse.

O ferromagnetismo é importante para a produção de ímãs de diversos tipos - desde aqueles usados em geladeiras, como também os de motores, equipamentos eletrônicos, peças de computador, geradores e transformadores de energia.

Há seis elementos naturais com propriedades ferromagnéticas e somente três que funcionam em temperatura ambiente: ferro, cobalto e níquel, explicou Kopelevich.

"Acreditava-se que esse fenômeno só era possível em elementos pesados, mas o carbono é um elemento leve. Se conseguirmos potencializar sua propriedade ferromagnética, isso terá implicações enormes, por exemplo, na área de aviação e de exploração espacial," afirmou.

Kopelevich realiza as pesquisas com uma forma ultrapura do material, chamado grafite pirolítico altamente orientado (HOPG), mas acredita que a supercondutividade também pode ser induzida na forma desordenada ou amorfa, significativamente mais barata.

"Com o método da dopagem eletrostática qualquer grafite pode apresentar essa propriedade", disse.

o grafite é uma das três formas alotrópicas do carbono. As outras são o diamante e o fulereno. O mineral é composto por múltiplas camadas de átomos de carbono - cada um desses planos é conhecido como grafeno.

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