Ossido di ittrio bario e rame

Da Wikipedia, l'enciclopedia libera.
Jump to navigation Jump to search
Ossido di ittrio bario e rame
BaYCusuperconduct.jpg
Nome IUPAC
cuprato di ittrio bario
Nomi alternativi
YBCO, Y123 (obsoleto)
Caratteristiche generali
Formula bruta o molecolareYBa2Cu3O7
Peso formula (u)666,19
Aspettosolido nero
Numero CAS107539-20-8
Numero EINECS619-720-7
PubChem21871996
Proprietà chimico-fisiche
Densità (g/cm3, in c.s.)6,4
Solubilità in acquainsolubile
Temperatura di fusione>1000 °C
Indicazioni di sicurezza
Simboli di rischio chimico
Nocivo
Frasi R20/22
Frasi S28

Il cuprato di ittrio e bario è il composto chimico di formula YBa2Cu3O7. È un sale cristallino. Il nome è comunemente abbreviato negli Stati Uniti d'America come YBCO (iniziali degli elementi costituenti) o anche Y123 (per la stechiometria dei metalli ittrio bario e rame contenuti). In condizioni normali è un solido nero insolubile in acqua. Questo materiale è famoso per essere stato il primo a mostrare proprietà di superconduttore ad una temperatura superiore a quella di ebollizione dell'azoto liquido.

Cenni storici[modifica | modifica wikitesto]

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: Y1.2Ba0.8CuO4.

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.

Sintesi e proprietà[modifica | modifica wikitesto]

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]

4BaCO3 + Y2(CO3)3 + 6CuCO3 + (1/2−x)O2 → 2YBa2Cu3O7−x + 13CO2

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 YBa2Cu3O7−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]

Struttura[modifica | modifica wikitesto]

Ybco002.svg

YBa2Cu3O7 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.

Applicazioni[modifica | modifica wikitesto]

I cuprati sono molto studiati, ma non hanno ancora trovato applicazioni commerciali. I problemi maggiori riguardano la difficoltà di sintetizzare il materiale con una precisione che permetta il passaggio di correnti di interesse pratico.[2]

Sicurezza[modifica | modifica wikitesto]

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.[7]

Note[modifica | modifica wikitesto]

  1. ^ a b c d N. N. Greenwood, A. Earnshaw, Chemistry of the elements, 2ª ed., Oxford, Butterworth-Heinemann, 1997, ISBN 0-7506-3365-4.
  2. ^ a b c Housecroft, Sharpe, Inorganic chemistry, 3ª ed., Harlow, Pearson, 2008, ISBN 978-0-13-175553-6.
  3. ^ Paul Grant, Do-it-yourself superconductors, 30 luglio 1987
  4. ^ ) Upper critical field for optimally-doped YBa2Cu3O7−δ, DOI:10.1016/j.physb.2004.01.098.
  5. ^ Y.-K. Sun, I.-H. Oh, Preparation of ultrafine YBa2Cu3O7−x superconductor powders by the poly(vinyl alcohol)-assisted sol−gel method., in Ind. Eng. Chem. Res., vol. 35, n. 11, 1996, pp. 4296–4300, DOI:10.1021/ie950527y. URL consultato l'11 maggio 2011.
  6. ^ Castaño et al., High quality ittrium cuprate thin films, in Superconductor Science and Technology, vol. 16, 2003, pp. 45-53, DOI:10.1088/0953-2048/16/1/309. URL consultato il 2011.
  7. ^ Alfa Aesar, Scheda dei dati di sicurezza di YBCO (PDF), su alfa.com:. URL consultato l'11 maggio 2011.

Altri progetti[modifica | modifica wikitesto]

Collegamenti esterni[modifica | modifica wikitesto]

Chimica Portale Chimica: il portale della scienza della composizione, delle proprietà e delle trasformazioni della materia