Ossido di ittrio bario e rame

Dalla scoperta della superconduttività da parte di Kamerlingh Onnes del 1911, per settantacinque anni furono noti solo superconduttori a temperatura molto bassa, raggiungibile soltanto attraverso l'impiego di elio liquido. Tra questi, i superconduttori più importanti sono quelli basati sul niobio: il rappresentante di questa classe è il Nb₃Ge, seguito dal niobio-titanio.

Intorno al 1986, presso il centro di ricerca IBM a Zurigo, i ricercatori Bednorz e Müller studiavano nuovi tipi di semiconduttori. In quell'anno scoprirono un particolare cuprato semiconduttore che diventava un superconduttore a una temperatura molto più alta dei superconduttori che finora erano noti. In particolare, il loro cuprato aveva una struttura cristallina del tipo perovskiti, ma rispetto a questa era carente di ossigeno. L'anno successivo i due ricercatori ricevettero il Premio Nobel per la fisica, grazie a questa scoperta.

Nel 1987, Maw-Kuen Wu, della University of Alabama a Huntsville, e Paul Chu, della University of Houston, scoprirono che un particolare cuprato, misto di bario e ittrio, (con sigla YBCO) aveva una temperatura critica pari a circa -180 °C: di nuovo, la temperatura richiesta per attivare la superconduzione era molto più alta del solito. I primi campioni di questo cuprato avevano formula bruta: Y_1.2Ba_0.8CuO₄.

Il cuprato misto di ittrio e bario è stato il primo materiale scoperto a cui basta un raffreddamento con azoto liquido per attivare la superconduzione.

I precedenti materiali, infatti, richiedevano un raffreddamento basato sull'elio liquido, molto più difficile da realizzare e mantenere.

Il cuprato misto di ittrio e bario relativamente puro fu preparato per la prima volta riscaldando una particolare miscela di carbonati metallici, a temperature circa comprese tra 870 e 1100 °C:^[1][2]

${\displaystyle \mathrm {4BaCO_{3}+Y_{2}(CO_{3})_{3}+6CuCO_{3}+\left({\frac {1}{2}}-x\right)O_{2}\to 2YBa_{2}Cu_{3}O_{7-x}+13CO_{2}} }$

Le sintesi successive usarono i corrispondenti ossidi o nitrati.^[1] Un articolo molto interessante sia dal punto di vista storico, che per lo studio della sintesi del cuprato misto di ittrio e bario, fu pubblicato pochi mesi dopo, nel luglio 1987. L'articolo, di Paul Grant, che lavorava presso il centro di ricerca IBM della Almaden Valley (vicino a San Jose, California), fu pubblicato sul New Scientist.^[3] Questo articolo conteneva una ricetta per creare questo composto nel riquadro "Shake and bake", e i reagenti nel riquadro "Where to find": si riferisce alla Gran Bretagna.

La proprietà di superconduttore per cuprati della forma YBa₂Cu₃O_7−x è molto sensibile alla quantità di ossigeno contenuto (indicato con x). Il contenuto in ossigeno deve essere inferiore a x ≤ 0,65. Quando x ~ 0.07, il materiale superconduce alla temperatura più alta (-180 °C). Anche il campo magnetico producibile in questo modo diventa massimo. Il campo magnetico in direzione parallela ai piani cuprati (di ossido di rame: CuO₂^[4]) è maggiore rispetto a quello in direzione normale ai piani.

Oltre ad essere molto sensibili alla quantità di ossigeno contenuto, le proprietà di questi cuprati dipendono molto dal metodo di sintesi. Il metodo standard è una sinterizzazione.Per ottenere un materiale cristallino con adeguate proprietà, i bordi dei grani devono essere allineati tra loro. Questo è possibile solo con un attento controllo delle velocità di ricottura e di tempra del materiale.

Sono stati sviluppati anche metodi alternativi, per esempio basati sulla deposizione chimica da vapore^[1][2] e sol-gel^[5]

L'acido trifluoroacetico è un agente fluorante, in grado di impedire la formazione di carbonato di bario, indesiderato. Usando la più normale deposizione chimica da soluzione, si sono preparati film sottili di alta qualità.^[6]

L'ossido di ittrio bario e rame cristallizza in una struttura simile alla perovskite, ma carente di ossigeno. La struttura a perovskite avrebbe infatti formula: YBa₂Cu₃O₉.

La struttura, come per tutti i cuprati, è stratificata. Si distinguono due tipi di coordinazione per gli atomi di rame, a seconda della coordinazione da parte dell'ossigeno.

La prima coordinazione del rame è a piramide quadrata; l'atomo non è collocato esattamente alla base della piramide. Ciò provoca la formazione di piani cuprati leggermente corrugati (in figura, indicati come "copper planes").^[1]

La seconda coordinazione, di tipo planare quadrata, provoca la formazione di nastri, disposti perpendicolarmente ai piani precedenti (in figura, indicati come "copper ribbons").

Gli atomi di ittrio si trovano tra i piani (di rame) e gli atomi di bario si trovano tra i nastri e i piani.

I cuprati sono molto studiati ma solo recentemente si è riusciti a ottenere applicazioni commerciali.^[8][9] I problemi maggiori riguardano la difficoltà di sintetizzare il materiale con una precisione che permetta il passaggio di correnti di interesse pratico.^[2]

Infatti, come per tutti i superconduttori, le prestazioni in termini di corrente trasportabile, dipendono fortemente, oltre che dalla temperatura, dal campo magnetico a cui sono sottoposti, come mostrato nella figura a sinistra.

Nel 2021, SuperOx, un'azienda russa e giapponese, ha sviluppato un nuovo processo di produzione di fili YBCO per reattori a fusione. Questo nuovo filo ha dimostrato di condurre tra i 700 e i 2000 Ampere per millimetro quadrato. L'azienda è riuscita a produrre 300 km di filo in 9 mesi, tra il 2019 e il 2021, migliorando drasticamente la capacità produttiva. L'azienda ha utilizzato un processo di deposizione al plasma-laser, su un substrato elettrolucidato, per produrre un nastro di 12 mm di larghezza e poi tagliarlo in un nastro di 3 mm.^[10]

Il cuprato di bario e ittrio è un composto stabile.

Risulta nocivo per inalazione ed ingestione, ed è irritante per la pelle e le mucose. Non ci sono dati sufficienti per stabilire eventuali proprietà cancerogene.^[11]

• Ossido di rame bario e terre rare (ReBCO)
• Supercodutttività ad alte temperature

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• (EN) yttrium barium copper oxide, su Enciclopedia Britannica, Encyclopædia Britannica, Inc.

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