Arte de supercondutividade de materiais quânticos
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Os pesquisadores descobriram que a aplicação de pressão às nanofitas de titânio e enxofre (TiS3) as transforma de isolantes em supercondutores que podem transmitir eletricidade sem perda de energia. Esta descoberta, detalhada na revista Nano Letters, tem implicações significativas para a transmissão de energia e pode revolucionar vários campos tecnológicos através do desenvolvimento de novos materiais supercondutores. Crédito: SciTechDaily.com

Um estudo mostrou que a compressão de nanofitas de TiS3 as transforma de isolantes em supercondutores, permitindo a transmissão de eletricidade sem perda de energia. Esta descoberta abre novas possibilidades para o avanço de tecnologias de eficiência energética e ciência de materiais.

De acordo com um estudo publicado na revista Nano-letrasa compressão de nanofitas feitas de titânio e enxofre pode alterar significativamente suas propriedades, transformando-as em materiais capazes de conduzir eletricidade sem perda de energia.

Os autores fizeram a descoberta durante a sua meticulosa busca por novos materiais que possam transmitir eletricidade sem perda de energia, um tema quente que há muito assombra a comunidade científica.

“Nossa pesquisa se concentra em um desses materiais promissores: TiS3 nanofitas, que são estruturas minúsculas em forma de fita feitas de titânio e enxofre. Em seu estado natural, TiS3 as nanofitas atuam como isolantes, o que significa que não conduzem bem a eletricidade”, diz Mahmoud Rabie Abdel-Hafez, professor associado do Departamento de Física Aplicada e Astronomia da Universidade de Sharjah.

“No entanto, descobrimos que, ao aplicar pressão a estas nanofitas, poderíamos alterar drasticamente as suas propriedades elétricas”, acrescenta Abdel-Hafez, autor principal do estudo.

Descobertas Experimentais

Os cientistas expuseram o TiS3 à pressão gradual. À medida que aumentaram a pressão, descobriram que o TiS3 O sistema passou por uma série de transições, de isolantes a metais e supercondutores, pela primeira vez.

TiS3 sabe-se que os materiais funcionam como bons isolantes, mas é a primeira vez que os cientistas descobrem que sob pressão podem funcionar como supercondutores, abrindo caminho para o desenvolvimento de materiais supercondutores.

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Diagrama de fases de pressão e temperatura do TiS3
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(A) Diagrama de fase temperatura-pressão do TiS3. (B) Fotografia e imagem SEM de microestrutura quase 1D. Crédito: Nano Letras (2024). https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c00824

“Os supercondutores são especiais porque podem conduzir eletricidade com perda zero de energia, o que é extremamente valioso para aplicações tecnológicas”, diz Abdel-Hafez. “(Mas) imagine um mundo onde a energia elétrica pudesse ser transmitida sem que nenhuma energia fosse desperdiçada na forma de calor. Isto revolucionaria a forma como utilizamos e distribuímos eletricidade, tornando tudo, desde redes elétricas a dispositivos eletrónicos, muito mais eficiente.”

É exatamente esse potencial que os autores consideram um avanço: o potencial do TiS3 para se transformar em materiais que não causam desperdício na transmissão de eletricidade. Ao controlar cuidadosamente a pressão aplicada a esses materiais, os autores identificaram os pontos exatos onde eles mudaram de um estado para outro.

“Isto é significativo porque a compreensão destas transições ajuda-nos a aprender como manipular outros materiais de formas semelhantes, aproximando-nos da descoberta ou da concepção de novos supercondutores que possam operar a temperaturas mais elevadas e em condições mais práticas”, observa Abdel-Hafez.

O estudo mostra que TiS3 tem potencial para se tornar tais materiais quando submetido às condições certas. Ao aumentar gradativamente a pressão sobre os materiais investigados, os autores observaram que eles passaram de isolantes (maus condutores) a metais (bons condutores) e finalmente a supercondutores (condutores perfeitos sem perda de energia).

Descobrindo que TiS3 materiais podem se tornar supercondutores sob pressão certamente ajudará os cientistas a entender mais sobre as condições exigidas para a supercondutividade. Este conhecimento é crucial para o desenvolvimento de novos materiais que possam ser supercondutores em temperaturas mais altas e práticas, afirmam os autores.

Esforços Colaborativos e Perspectivas Futuras

“Esta pesquisa não só melhora a nossa compreensão da supercondutividade, mas também demonstra o poder da colaboração internacional na obtenção de resultados científicos inovadores”, afirma o professor de Física e Astronomia da Universidade de Uppsala, na Suécia, co-autor

O projeto faz parte da pesquisa da Universidade de Sharjah para desenvolver materiais que possam transmitir eletricidade sem perda de energia, oferecendo novos insights sobre como a pressão pode transformar as propriedades elétricas do TiS3 nanofitas.

Fases induzidas por pressão do TiS3
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Fases induzidas por pressão de TiS3. (A) Rede cristalina monoclínica de TiS3 (grupo espacial de P21/m (tipo I)) a baixa pressão. A caixa cinza descreve a célula unitária periódica. A ligação 1 (magenta) tem 2,67 Å de comprimento, enquanto as ligações 2, 3 e 4 (azul escuro) têm 2,49 Å de comprimento em média. Para mostrar claramente as cadeias 1D incorporadas, usamos átomos S marrons e amarelos para diferenciar as duas cadeias diferentes (mas equivalentes) dentro de uma célula unitária periódica. O par S – S (rotulado em laranja) conecta átomos S ligados ao mesmo Ti. (B) Esquerda: Uma fotografia de uma microestrutura Q1D TiS3 (vista como uma linha escura) em um papel branco. À direita: imagem SEM do bigode TiS3 em baixa pressão. (C) Rede cristalina monoclínica de TiS3, P21/m (tipo II), em pressão intermediária. A caixa cinza descreve a célula unitária periódica. A ligação S – S (rotulada em roxo) conecta átomos de S ligados a diferentes Ti. (D) Rede cristalina cúbica da fase de alta pressão (grupo espacial de Pm3m) na representação bola e bastão. (E) Rede cristalina cúbica nas representações poliédricas. Crédito: Nano Letras (2024). https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c00824

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O estudo é um esforço conjunto do qual participaram cientistas da Suécia, China e Rússia. “Este avanço não apenas ultrapassa os limites da ciência dos materiais, mas também mantém a promessa de aplicações inovadoras em vários campos, incluindo transmissão de energia e dispositivos eletrônicos”, diz Abdel-Hafez.

Sobre o método adotado para conduzir o estudo, os autores escrevem que buscaram “abordagens experimentais e teóricas para explorar de forma abrangente o comportamento de alta pressão das propriedades eletrônicas do TiS3um semicondutor quase unidimensional (Q1D), em várias faixas de temperatura.

“Através de resistência elétrica de alta pressão e medições magnéticas em pressões elevadas, descobrimos uma sequência distinta de transições de fase dentro do TiS3abrangendo uma transformação de um estado isolante à pressão ambiente para o surgimento de um estado supercondutor incipiente acima de 70 GPa.”

Segundo Abdel-Hafez, o estudo abre caminho para a descoberta de novos supercondutores, caça que ele comparou à “busca do Santo Graal na ciência dos materiais, porque estes materiais podem conduzir eletricidade sem qualquer perda de energia. Isto é crucial, pois pode levar a uma transmissão de energia incrivelmente eficiente e a numerosos avanços tecnológicos.”

No entanto, os autores observam que são necessárias mais pesquisas para compreender como funcionam esses supercondutores e as teorias por trás deles, tópicos que ainda são calorosamente debatidos na literatura. “Em nosso artigo de pesquisa sobre TiS3 materiais, descobrimos que poderíamos alterar drasticamente suas propriedades elétricas.

“Esses materiais têm o potencial de revolucionar a transmissão de energia, permitindo que a eletricidade seja conduzida sem qualquer perda de energia. Além disso, poderiam avançar tecnologias em imagens médicas, dispositivos eletrónicos e sistemas de transporte, como comboios maglev”, afirma Abdel-Hafez.

Os autores estão otimistas sobre as implicações de suas descobertas. Eles observam: “Nossas descobertas fornecem evidências convincentes de que a supercondutividade em baixas temperaturas de ∼2,9 K é uma característica fundamental do TiS3lançando uma nova luz sobre as intrigantes propriedades eletrônicas de alta pressão do TiS3.”

Referência: “Do isolador ao supercondutor: uma série de transições acionadas por pressão em nanofitas TiS3 quase unidimensionais” por Mahmoud Abdel-Hafiez, Li Fen Shi, Jinguang Cheng, Irina G. Gorlova, Sergey G. Zybtsev, Vadim Ya. Pokrovskii, Lingyi Ao, Junwei Huang, Hongtao Yuan, Alexsandr N. Titov, Olle Eriksson e Chin Shen Ong, 29 de abril de 2024, Nano-letras.
DOI: 10.1021/acs.nanolett.4c00824



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