Usando nióbio e tântalo em produtos supercondutores (Using Niobium and Tantalum in Superconducting Products)

A empresa H.C. Starck oferece hastes e folhas de tântalo e nióbio para a fabricação de fios supercondutores de baixa temperatura, onde resfriamento criogênico é necessário para manter o material abaixo da temperatura crítica.

       A empresa também fornece serviços de extrusão de feixes de fios de grande diâmetro para atender os requisitos dos clientes. Tântalo (Ta) e nióbio (Nb) apresentam propriedades especiais, que os tornam uma opção adequada para várias aplicações com supercondutores:

    - Aceleradores de partículas

    - Equipamentos médicos (RMN e RMI)

    - Levitação magnética

    - Equipamentos de pesquisa em fusão nuclear

    - Espectroscopia de massa

As folhas e as hastes de tântalo e nióbio da H.C. Starck têm sido usadas ​​em projetos científicos de grande escala para desenvolver reatores de fusão para produção de energia limpa e em grandes experimentos de acelerador de partículas. Os supercondutores são críticos para estes experimentos que envolvem a suspensão e controladores de plasmas de alta energia.

       Durante a produção do fio supercondutor, é tomado cuidado para garantir que as hastes e as folhas tiveram sua composição química, propriedades mecânicas e rugosidade de superfície, rigorosamente controladas. Isto é importante para permitir um melhor processamento e ajuda a alcançar um fio supercondutor de alta qualidade.

       As folhas são frequentemente utilizadas como uma barreira de difusão entre o estanho e cobre, e as hastes são usadas principalmente para a produção de fios supercondutores de Nb₃Sn. Estes fios são usados ​​em aplicações de alto campo magnético.

       O tântalo é usado principalmente em supercondutores para criar uma barreira de difusão confiável e estável entre a matriz de estanho e cobre. Essa barreira de difusão começa como uma folha de tântalo, cuja largura é reduzida para apenas uma fração da sua largura original durante o curso do processo de estiramento.

       Cuidados devem ser tomados para assegurar que a camada de tântalo não seja danificada e não deve haver qualquer contato direto entre o estanho e cobre. Esta é a razão pela qual a qualidade original da superfície, a uniformidade de espessura, as propriedades mecânicas e a microestrutura tem uma grande importância. Se essas propriedades não são controladas adequadamente, isso resultaria em pobres propriedades magnéticas, rendimentos reduzidos e vários outros efeitos indesejados.

       As propriedades do nióbio são tão importantes quanto as do tântalo, mas por razões ligeiramente diferentes. Este é o lugar onde a H.C. Starck se destaca. A empresa desenvolveu processos que facilitam o controle rigoroso de todas as propriedades e parâmetros chave. A H.C. Starck continua a fazer avanços na otimização das propriedades mecânicas ou microestruturais em suas instalações.

       A Figura 1 mostra o mapa EBSD e o pólo de hastes de nióbio em seção transversal.

 

Figura 1. Mapa EBSD e pólo das hastes de nióbio em secção transversal

As especificações das hastes de nióbio e tântalo são:

    - Controle microestrutural

    - Em conformidade com a norma ASTM B392 (Nb) e B365 (Ta)

    - Propriedades mecânicas e químicas consistentes

    - Comprimento máximo: 2,5 a 7,5 m

    - Diâmetros: 10 a 100 mm

As especificações das folhas de nióbio e tântalo são:

    - Química consistente

    - Excelente qualidade de superfície

    - Propriedades mecânicas sintonizados com as necessidades dos clientes

    - Em conformidade com a norma ASTM B393 (Nb) e B708 ​​(Ta)

    - Folha: 0,25 a 2,5 milímetros de espessura, até 1m de largura

    - Outras dimensões podem ser disponibilizadas mediante pedido

H.C. Starck presta serviços de extrusão para produção de fios supercondutores de baixa temperatura (Figura 2). A prensa de 5,500 mt é integrada com controles avançados para reduções ótimas e controle dimensional preciso. A alta tonelagem leva a propriedades excelentes dos fios e melhores rendimentos.

Figura 2. Tarugo para extrusão

O tarugo para extrusão opera sob as seguintes condições:

    - Temperatura de extrusão: vasta gama, atmosfera controlada

    - Força de pressão: 5500 toneladas

    - Diâmetro do tarugo de entrada: 152 a 432 milímetros (6-17 ")

Tântalo e nióbio são materiais supercondutores de baixa temperatura que continuarão sendo utilizados em aceleradores de partículas grandes e poderosos.

       Para obter mais informações visite o site da H.C. Starck.

Fonte: http://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=12082

Aplicação de supercondutor de alta temperatura produz maior campo magnético do mundo (Application of high-temperature superconductor yields world's highest magnetic field)

Uma parte do sistema recentemente desenvolvido, um RMN de 1020 MHz equipado com ímãs supercondutores (5 m de altura e 15 toneladas). Hélio líquido é utilizado para a refrigeração.

Uma equipe de pesquisadores japoneses desenvolveu com sucesso um sistema de ressonância magnética nuclear (RMN de 1.020 MHz), equipado com o maior campo magnético do mundo. A equipe confirmou o seu desempenho consideravelmente melhorado em comparação com sistemas convencionais de RMN em termos de sensibilidade e resolução.

        Sistemas RMN são usados para vários fins, incluindo a análise conformacional 3D de biopolímeros como proteínas, química orgânica e pesquisa de materiais. Em particular, é uma das ferramentas indispensáveis ​​para o desenvolvimento de novas drogas. No desenvolvimento de uma nova droga, é vital a compreensão de uma forma rápida e precisa das estruturas da proteína. Nessa visão, melhorar o desempenho dos sistemas RMN é de grande importância. A intensidade do campo magnético é um indicador chave do desempenho dos sistemas RMN. Não havia concorrência para desenvolver sistemas RMN com campos magnéticos superiores a 1.000 MHz. Durante muito tempo, esperava-se amplamente que a utilização de supercondutores de alta temperatura permitiria a produção de campos magnéticos acima de 1000 MHz. No entanto, como supercondutores de alta temperatura possuem problemas de fragilidade e processabilidade, nenhuma das partes tinha alcançado seu uso prático por um longo tempo.

        Através do desenvolvimento de várias novas tecnologias, incluindo a produção de fios com supercondutores de alta temperatura desenvolvida pela NIMS, a equipe de pesquisa criou recentemente o sistema RMN equipado com o campo magnético mais alto do mundo em 1020 MHz. Antes de alcançar esta conquista, a equipe passou 20 anos de planejamento, projeto e construção, bem como a superação de muitas dificuldades, como a suspensão do projeto.

        É esperado que o campo magnético extremamente alto contribua grandemente em vários campos de pesquisa como a biologia estrutural, a química analítica e a engenharia de materiais. Além disso, considerando que a RMN requer um campo magnético com extraordinária precisão, a tecnologia de supercondutores de alta temperatura desenvolvida para o RMN é aplicável a vários sistemas de alta tecnologia, como a fusão nuclear, trens de motor e cabos de alimentação.

Fonte1: http://phys.org/news/2015-07-application-high-temperature-superconductor-yields-world.html

Fonte2: http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1090780715000968

Robô blindado promete melhorar biópsias de câncer

Redação do Site Inovação Tecnológica - 26/12/2014

O robô é pequeno o suficiente para caber no duto apertado da máquina de MRI e ainda deixar espaço para o paciente e para as mãos do médico. [Imagem: Worcester Polytechnic Institute]

Biópsias cegas

Uma equipe de engenheiros e médicos dos Estados Unidos começou a testar um novo robô-cirurgião capaz de operar dentro de um equipamento de ressonância magnética.

        O objetivo do robô é realizar biópsias de câncer da próstata de forma mais rápida, mais precisa e menos desconfortável para o paciente.

        Se passar pelos testes, futuramente o robô também poderá ser usado na aplicação de terapias contra o câncer.

        “O câncer da próstata é a última forma de câncer ainda diagnosticada com biópsias cegas, por isso estamos trabalhando para mudar isso com a tecnologia guiada por imagem,” disse a Dra. Clare Tempany, do Instituto Politécnico Worcester. “O principal objetivo do nosso grupo é desenvolver tecnologias que permitam ampliar as capacidades dos médicos para tratar seus pacientes.”

        Atualmente, a maioria das biópsias da próstata é feita usando imageamento por ultrassom. Embora uma ecografia consiga localizar a próstata, essa técnica de imagem não tem precisão suficiente para determinar onde está o potencial tumor - é por isso que os médicos chamam o procedimento de biópsia cega, com a agulha sendo usada para perfurar vários pontos na expectativa de capturar o tecido doente para posterior análise.

        Já a ressonância magnética produz imagens anatômicas e de caracterização de tecido detalhadas, podendo potencialmente identificar as lesões cancerosas.

Robô blindado

        O desafio foi desenvolver um robô que funcionasse bem dentro de um aparelho de ressonância magnética, com seu fortíssimo ímã supercondutor. Para isso, todos os sensores e atuadores precisaram ser construídos com materiais não-ferrosos - o robô é quase todo de plástico e usa motores piezoelétricos cerâmicos.

        O contrário também é verdadeiro, e o robô não pode interferir com o exame e estragar as imagens de ressonância magnética. Isto foi feito com sucessivas camadas de proteção de toda a parte eletroeletrônica do robô, de forma a reduzir ao máximo a indução de sinais eletromagnéticos.

        E o robô também precisava ser pequeno o suficiente para caber no duto apertado da máquina de MRI e ainda deixar espaço para o paciente e para as mãos do médico.

        O primeiro teste em humanos do sistema robótico, programado para 2015, será resultado de mais de seis anos de pesquisa e desenvolvimento, feitos em parceria com engenheiros e médicos da Universidade Johns Hopkins e do Hospital Brigham and Women.

Bibliografia:

Piezoelectrically Actuated Robotic System for MRI-Guided Prostate Percutaneous Therapy. H. Su, W. Shang, G. A. Cole, G. Li, K. Harrington, A. Camilo, J. Tokuda, Clare M. Tempany, N. Hata, G. S. Fischer. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, Vol.: PP Issue: 99 - Pages 1-13.

DOI: 10.1109/TMECH.2014.2359413

Fonte: http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=robo-blindado-biopsias-cancer-prostata&id=010180141226#.VJ_6Mf8ACzB

Mercado global de supercondutores 2014-2018 (Global Superconductor Market 2014-2018)

O mercado global de supercondutores deverá crescer a uma taxa anual média de 2,77% em relação ao período 2013-2018. Um dos principais fatores que contribuem para o crescimento desse mercado é o aumento da demanda por infraestrutura da rede de energia avançada. O mercado também tem assistido a crescente demanda por equipamentos de ressonância magnética. No entanto, o alto custo dos sistemas de resfriamento dos supercondutores pode representar um desafio para o crescimento maior deste setor.

        A crescente demanda por equipamentos de ressonância magnética é um dos principais fatores emergentes no mercado global supercondutor. O aumento do número de pacientes e da incidência de doenças neurológicas, oncológicas e cardíacas em todo o mundo resultaram na adoção mais ampla de equipamentos de ressonância magnética. Os profissionais médicos especializados constantemente atualizam seus equipamentos para fornecer tratamento e diagnóstico eficaz. Como equipamentos de ressonância magnética produzem melhor qualidade de imagem, fundamental no diagnóstico de lesões cerebrais e acidente vascular cerebral, tem havido um aumento da adoção de tais equipamentos entre os profissionais médicos. A necessidade de um diagnóstico eficaz está impulsionando a adoção de equipamentos em grandes hospitais, instituições governamentais e grandes centros de diagnóstico. A taxa de adoção de sistemas de ressonância magnética supercondutores deverá aumentar devido à sua alta qualidade de imagem e relação custo-benefício.

        A crescente demanda por energia elétrica e alta perda de transmissão na rede também tem impulsionado a adoção de supercondutores. O maior desafio neste mercado é o elevado custo dos sistemas de refrigeração. O desenvolvimento e implantação de supercondutores requerem sistemas de refrigeração com refrigeradores criogênicos, e como estes são muito caros, eleva-se o custo total de produção, causando uma redução no uso de supercondutores.

        O desafio agora é desenvolver um sistema de refrigeração economicamente viável ou sintetizar um material supercondutor que não necessite de resfriamento.

Fonte: http://www.companiesandmarkets.com/Market/Information-Technology/Market-Research/Global-Superconductor-Market-2014-2018/RPT1224897

Forte campo magnético produz um estado supercondutor exótico (Superconductor finally goes with the FFLO)

Vesna Mitrović em seu laboratório

        Um fenômeno procurado há muito que permite a supercondutividade sobreviver mesmo em campos magnéticos muito fortes, foi visto pela primeira vez por uma equipe internacional de físicos. O “estado FFLO” da supercondutividade envolve a formação de entidades quânticas exóticas conhecidas como estados ligados de Andreev. Além de proporcionar uma visão mais aprofundada da supercondutividade, a descoberta também pode aprimorar nossa compreensão da física de partículas e estrelas de nêutrons, e até mesmo melhorar os sistemas de ressonância magnética (MRI).

        Supercondutividade e magnetismo são geralmente inimigos jurados. Supercondutores expulsam fracos campos magnéticos que passam através de um condutor normal, enquanto um campo magnético forte o suficiente destrói a supercondutividade. A supercondutividade convencional ocorre quando as vibrações em uma estrutura cristalina permite que os elétrons se liguem em conjuntos formando pares de Cooper que fluem através do material sem resistência. Os elétrons em cada par têm valores opostos do momento angular de spin - um com spin-up, outro com spin-down. No entanto, um forte campo magnético direciona os spins dos elétrons num mesmo sentido, perturbando o equilíbrio, destruindo os pares de Cooper e a própria supercondutividade.

Pares de elétrons não correspondentes

Contudo, em 1964, dois pares de físicos - Peter Fulde e Richard Ferrell, ao lado de Anatoly Larkin e Yuri Ovchinnikov - previram que certos materiais devem superconduzir, mesmo na presença de campos magnéticos muito fortes. Esse estado FFLO iria ocorrer como resultado dos pares de elétrons não combinados - tendo um momento angular finito em vez de zero – reunindo-se em bandas através de todo o material, fora do qual as correntes supercondutoras ainda poderiam fluir.

Elétrons não ligados fluindo com o estado FFLO

Nos últimos 50 anos, muitos grupos têm tentado testar essa ideia experimentalmente, e alguns têm encontrado evidências indiretas do estado FFLO - principalmente pela medição das propriedades macroscópicas de supercondutores para criar diagramas de fase detalhados dos materiais. Rolf Lortz e seus colegas da Universidade de Hong Kong, por exemplo, identificaram uma nova fase entre o supercondutor e as fases normais no composto orgânico κ-(BEDT-TTF)₂Cu(NCS)₂, que interpretaram como sendo o estado FFLO e que, eles descobriram, impulsionou o limite magnético (campo crítico H_C) de 21 T para quase 30 T.

        No mais recente trabalho, Vesna Mitrović da Universidade Brown nos EUA, e colegas do Japão e do laboratório francês French National High Magnetic Field Laboratory (LNCMI) em Grenoble, encontraram evidências do estado FFLO em escala microscópica. A pesquisa explora o espectro de energia dos elétrons desemparelhados de um supercondutor, que têm uma energia mais elevada do que a variedade emparelhada. Este gap de energia tem um valor único ao longo de uma amostra de um supercondutor convencional, mas sua variação é prevista de uma região à outra dentro de um material na fase FFLO.

Quasepartículas supercondutoras

Mitrović e colegas observaram regiões dentro de folhas muito finas de κ-(BEDT-TTF)₂Cu(NCS)₂, onde o gap de energia vai a zero. Essas são regiões onde elétrons emparelhados e desemparelhados têm a mesma energia, e onde, portanto, é energicamente possível existirem elétrons desemparelhados. Estes elétrons desemparelhados são a melhor ideia de como “quasepartículas”, que existem em superposições quânticas complexas com tudo à sua volta, e, ao contrário de elétrons normais, podem superconduzir. Especificamente, os pesquisadores procuraram quasepartículas conhecidas como estados ligados de Andreev, que se assemelham a elétrons normais, cujos spins apontam na direção de um campo magnético aplicado.

        O experimento foi realizado no LNCMI, onde a ressonância magnética nuclear (RMN) foi usada para confirmar duas propriedades esperadas dos estados ligados de Andreev - e, portanto, a presença da fase de estado FFLO. A primeira, e mais importante, envolveu medir o tempo que levou para os elétrons mudarem sua rotação quando exposto a fortes campos magnéticos, uma característica que reflete o espectro de energia dos elétrons em toda a amostra. A segunda propriedade requer medidas da distribuição de spins dentro do material.

“Outros grupos têm realizado impressionante e importante trabalho, mostrando que em um alto campo magnético você entra em um novo estado”, diz Mitrović. “Mas eles não poderiam dizer com o que esse estado se parece. O objetivo do nosso trabalho foi olhar, e o que vemos é realmente muito impressionante.” Ela acrescenta que o trabalho pode vir a ser importante fora da física da matéria condensada, porque poderia ajudar os físicos de partículas identificarem uma forma de supercondutividade que envolve quarks com sabor desequilibrado, e em astrofísica poderia explicar como estrelas de nêutrons podem apresentar supercondutividade e ao mesmo tempo gerar enormes campos magnéticos.

Melhores sistemas de ressonância magnética

Lortz diz que a pesquisa fornece “um tipo diferente de importantes informações” ao obtido pelo seu grupo. Ele acrescenta que, em princípio, poderia levar à criação de ímãs supercondutores mais poderosos para sistemas de ressonância magnética porque o estado supercondutor persiste a campos mais altos. Enquanto o κ-(BEDT-TTF)₂Cu(NCS)₂ não é apropriado para fazer ímãs, Lortz acrescenta que a fase FFLO pode ser observada em materiais mais adequados no futuro.

Ted Forgan, da Universidade de Birmingham, que observou o estado FFLO no supercondutor CeCoIn₅, diz que os resultados são “muito convincentes”. Mas ele ressalta que a RMN, ao fornecer dados microscópicos, não mostra a variação espacial diretamente. “Talvez a técnica high-field scanning tunnelling microscopy poderia mostrar um estado espacialmente modulado”, diz ele.

A pesquisa foi publicada na revista Nature Physics.

Fonte1: http://physicsworld.com/cws/article/news/2014/oct/29/superconductor-finally-goes-with-the-fflo

Fonte2: http://www.nature.com/nphys/journal/vaop/ncurrent/full/nphys3121.html

Aplicações dos supercondutores (applications of superconductors)

       

       Segue abaixo uma pequena lista contendo algumas das mais importantes aplicações práticas dos sistemas supercondutores. O objetivo desse post é fornecer apenas uma ideia geral sobre onde são empregados estes materiais. Para uma visão mais profunda, vejas os links nas laterais desse blog e encontre livros para download gratuito como, por exemplo, Applications of High-Tc Superconductivity. Obs.: clicando nos links e nas imagens, a página será direcionada para a fonte das informações. Veja cada link e enriqueça ainda mais seus conhecimentos.

• SQUID: Superconducting QUantum Interference Device – Dispositivo Supercondutor de Interferência Quântica

        

             Componentes SQUID                              SQUID

O SQUID é o equipamento mais sensível para a detecção de campos magnéticos, capaz de medir intensidades da ordem de 10^–15 T. O campo da terra é em torno de 10^–6 T e o do cérebro humano é por volta de 10^–13 T. Em geral, o SQUID é usado para realizar medidas magnéticas de várias espécies de materiais, sendo por isso frequentemente denominado de magnetômetro SQUID. Sua capacidade de detecção é proporcionada pelas famosas junções Josephson.

Esquema básico de uma junção Josephson

Brian David Josephson previu que seria possível o tunelamento de pares de Cooper entre dois supercondutores separados por uma distância menor que 10 Å, na ausência de uma voltagem externa. A confirmação experimental de sua previsão veio no ano de 1963 por Anderson e Rowell. Uma junção Josephson é formada por dois supercondutores fracamente acoplados através de uma fina película isolante. A película pode ser feita a partir da oxidação do filme da base ou pela deposição de camadas adicionais de um metal oxidado, de um semicondutor ou de um metal normal. Quando utilizado material isolante, a espessura da barreira é de alguns nanômetros. Para uma barreira feita de material semicondutor ou normal, ela possui espessura de 10 a 100 vezes maior.

No SQUID, a corrente que entra no dispositivo é dividida em duas componentes que atravessam as duas JJ na forma de correntes de pares de Cooper. Quando o SQUID é submetido a um campo magnético, cada corrente varia periodicamente, passando por máximos consecutivos à medida que o fluxo magnético passa por múltiplos do quantum fundamental, . Dessa maneira, por meio de um circuito contador, pode-se determinar o número de máximos que a corrente atravessa e conhecer assim o fluxo magnético final.

Outra aplicação amplamente divulgada do SQUID é a magnetoencefalografia. Uma técnica que permite mapear o campo magnético gerado pela atividade cerebral, através de sensores que atuam em conjunto com um SQUID.

      

Transporte de corrente

Para atingir sua temperatura ideal de condução, o cabo supercondutor é resfriado com nitrogênio líquido.[Imagem: Nexans]

        Apesar de alguns materiais apresentaram altas temperaturas críticas e elevadas densidades de corrente, um grande desafio está na confecção de fios. Os cupratos ainda são os campeões da T_C, mas por serem materiais cerâmicos, ainda é impraticável substituir os comuns fios de cobre por supercondutores. Apesar disso, várias pesquisas estão dando ótimos resultados, como é o caso do maior cabo supercondutor do mundo. Instalado na Alemanha, unindo duas subestações na cidade de Ruhr e projetado para suportar uma carga de 40 MW (megawatts), o cabo será formado por seções concêntricas operando a 10.000 volts. Segundo engenheiros do Instituto de Tecnologia Karlsruhe, que projetaram o cabo, ele será o primeiro a incorporar um sistema de proteção contra sobrecargas, com limitador de corrente. O cabo supercondutor terá 1 km de extensão - para se ter uma ideia, o recorde mundial de intensidade de corrente elétrica foi batido com um cabo supercondutor de 30 metros de comprimento. (Fonte: http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=maior-cabo-supercondutor-mundo)

Sistema de cabos supercondutores instalados em Nova York

Imagem da American Superconductor

RMN – ressonância magnética nuclear

Espectrômetro RMN da Oxford

        Esta técnica se baseia em gerar um campo magnético e orientar o spin dos núcleos (ou magnetização dos núcleos), após isto são gerados pulsos magnéticos que irão perturbar a magnetização dos spins e é medido o tempo que o spin demora para voltar à magnetização inicial. A intensidade do campo magnético necessária para orientar o núcleo dos átomos é obtida com o uso de supercondutores. No interior do equipamento, materiais supercondutores imersos em hélio líquido permitem gerar campos magnéticos altíssimos pela passagem de corrente elétrica.

LHC: Large Hadron Collider – Grande Colisor de Hádrons

Anel do LHC

       

        O Grande Colisor de Hádrons (LHC) do CentroEuropeu de Pesquisas Nucleares (CERN) é o maior acelerador de partículas do mundo. O LHC consiste de um anel de 27 km de magnetos supercondutores com uma série de estruturas de aceleração para aumentar a energia das partículas ao longo do caminho. O enorme campo magnético necessário para acelerar as partículas a altíssimas velocidades próximas à da luz é gerado a partir dos supercondutores.

Outras aplicações

Limitadores de corrente

Motor

MagLev – trens de levitação magnética

Separador magnético industrial

Pesquisas em fusão nuclear

        Ainda há muitas outras aplicações dos materiais supercondutores que não foram mencionadas aqui. A maioria delas não faz parte do cotidiano do cidadão comum, como a computação quântica, por exemplo. É provável que nos próximos 20 anos a supercondutividade se aproxime mais da vida cotidiana e traga maiores benefícios pra humanidade. Espero e torço para que pesquisadores brasileiros tenham grande contribuição nesta jornada.