COMO SINTERIZAR EL LK-99

LK-99

(del estudio de Lee-Kim 1999)¹​ es un compuesto policristalino negro-grisáceo, obtenido mediante el dopaje de apatito de plomo con cobre. Un equipo de la Universidad de Corea liderado por Sukbae Lee (이석배) y Ji-Hoon Kim (김지훈) comenzó a evaluar este material como un posible superconductor a partir de 1999.²​ En 2023, publicaron preimpresiones afirmando que actúa como un superconductor a temperatura ambiente²​ con resistencia cero y efecto Meissner,²​ a temperaturas de hasta 400 Kelvin(127 °C) a presión ambiente.¹​²​³​.El nombre LK-99 proviene de las iniciales de los descubridores Sukbae Lee y Ji-Hoon Kim, y el año del descubrimiento (1999).

Varios laboratorios intentaron replicar el trabajo y lograron obtener resultados iniciales en cuestión de semanas, ya que el proceso de producción del material es relativamente sencillo.⁴​ Hasta la fecha (8 de agosto de 2023) la comunidad científica no ha validado la superconductividad de LK-99 a ninguna temperatura a través de procesos de revisión por pares o mediante la reproducción independiente por parte de otros grupos de investigación.⁵​ Los intentos de seguir el proceso de síntesis propuesto arrojaron resultados variados. Aquellos que observaron levitación parcial similar a la reportada en el artículo original encontraron diamagnetismo pero no superconductividad. La mayoría de los laboratorios establecidos que intentaron replicar el trabajo del artículo original concluyeron que no se trataba de un superconductor.

Lee afirmó que los artículos preimpresos subidos estaban incompletos,⁶​ y el coautor Hyun-Tak Kim (김현탁) declaró que uno de los artículos contenía defectos.⁷​

La composición química de LK-99 es aproximadamente Pb₉Cu(PO₄)₆O tal que, en comparación con el plomo-apatito puro (Pb₁₀(PO₄)₆O) , aproximadamente una cuarta parte de los iones Pb(II) en la posición 2 de la estructura de apatito se reemplazan por iones Cu(II).⁸​

Se dice que el reemplazo parcial de iones Pb²⁺ (que miden 133 picómetros) con iones Cu²⁺ (que miden 87 picómetros) causa una reducción del 0,48 % en el volumen, lo que crea tensión interna dentro del material. Se afirma que la tensión interna causa un pozo cuántico de heterounión entre el Pb(1) y el oxígeno dentro del fosfato ([PO₄]³⁻) generando un pozo cuántico superconductor (SQW).⁸​

Lee et al. afirman mostrar que LK-99 exhibe una respuesta a un campo magnético (potencialmente debido al efecto Meissner) cuando se usa la deposición química de vapor para aplicar LK-99 a una muestra de cobre no magnético. El apatito de plomo puro es un aislante, pero Lee et al. afirman que la apatita de plomo dopada con cobre que forma LK-99 es un superconductor o, a temperaturas más altas, un metal.

Otros estudios sugieren que el sulfuro de cobre Cu2S que a su capacidad ferromagnética el fenómeno de la levitación. Los investigadores chinos comprobaron el comportamiento de sulfuro de cobre y muestras de LK-99 contaminadas por este compuesto y observaron que a determinada temperatura (385 K, unos 112º Celsius) este sulfuro experimentaba un cambio de fase (entre sus fases beta y gamma), fenómeno que propiciaba la aparente superconductividad.

“La gran diferencia con los coreanos es que los chinos encuentran diamagnetismo para campos magnéticos aplicados muy grandes (un tesla), cuando los primeros lo observaron para pocos gauss (diez mil veces menos)”

Por ahora ensayos como el del equipo de la Academia de Ciencias China parecen indicar que no nos encontramos con el ansiado superconductor a temperatura y presión ambientes. Los ensayos, más bien lo situarían como un semiconductor.

Ahora explicaremos que es, en que consiste el método por reacción  de sistesis por estado sólido.

SINTESIS DEL PRESUNTO SUPERCONDUCTOR LK-99

Se dice que es por medio del método a reacción de estado sólido:   

Lee y sus colegas proporcionan un método para sintetizar el material LK-99 al producir lanarkita a partir de una mezcla 1:1 de óxido de plomo(II) (PbO) y sulfato de plomo(II) (Pb(SO₄)), y luego calentarla a 725 °C (1.000 K) durante 24 horas en presencia de aire:⁸​

PbO + Pb(SO₄) → Pb₂(SO₄)O

Además, el fosfuro de cobre(I) (Cu₃P) se produce mezclando polvos de cobre (Cu) y fósforo (P) en un tubo sellado bajo un vacío de 10-3 torr y calentándolos a 550 °C (820 K) durante 48 horas:⁸​

Cu + P → Cu₃P

Los cristales de lanarkita y fosfuro de cobre se muelen en polvo, se mezclan en una proporción molar de 1:1, se colocan en un tubo sellado en vacío y se calientan a 925 °C (1.200 K) durante entre 5 y 20 horas:⁸​

Pb₂(SO₄)O + Cu₃P → Pb_10-xCu_x(PO₄)₆O + S (g), dónde (0.9 < x < 1.1)

QUE ES EL METODO DE SINTESIS DE REACCIÓN EN ESTADO SÓLIDO

La síntesis en estado sólido, o método cerámico, se utiliza comúnmente para provocar una reacción química de los materiales de partida sólidos y formar un nuevo sólido con una estructura bien definida. Los productos finales son materiales policristalinos, cristales simples, vidrios y materiales de película fina que se utilizan mucho para aplicaciones energéticas y electrónicas.

Los compuestos metálicos de grano fino se combinan, peletizan y calientan a una temperatura controlada durante un tiempo específico. Algunos compuestos metálicos, como los óxidos metálicos o las sales metálicas, requieren condiciones extremas, como temperaturas y presión elevadas, para iniciar reacciones en un flujo fundido o en una fase de vapor de condensación rápida. Este proceso se conoce a menudo como química de “agitar y hornear” o “calentar y batir”.

En la síntesis en estado sólido es particularmente importante caracterizar la velocidad de reacción. Las reacciones en estado sólido deben completarse, ya que las técnicas de purificación de los sólidos formados son muy limitadas. La velocidad de la reacción en estado sólido depende de las condiciones de reacción, como las propiedades estructurales, la forma y la superficie de los reactantes, la velocidad de difusión y las propiedades termodinámicas asociadas a la nucleación/reacción. Las propiedades químicas y físicas de los materiales finales vienen determinadas por los precursores químicos y las técnicas de preparación.

Método a grandes rasgos del método por reacción a estado sólido

REFERENCIAS.

1.   «LK-99 Is the Superconductor of the Summer» (en inglés). 3 de agosto de 2023. 
2.  Lee, Sukbae; Kim, Ji-Hoon; Kwon, Young-Wan (22 de julio). «The First Room-Temperature Ambient-Pressure Superconductor». arXiv:2307.12008 [cond-mat.supr-con]. doi:10.48550/arXiv.2307.12008.
3.  Lee, Sukbae; Kim, Jihoon; Im, Sungyeon; An, Soomin; Kwon, Young-Wan; Ho, Auh Keun (2023-04). «Consideration for the development of room-temperature ambient-pressure superconductor (LK-99)». Journal of the Korean Crystal Growth and Crystal Technology (en inglés) 33 (2): 61-70. ISSN 1225-1429. doi:10.6111/JKCGCT.2023.33.2.061. Consultado el 9 de agosto de 2023.
4.  Garisto, Daniel. «Viral New Superconductivity Claims Leave Many Scientists Skeptical». Scientific American (en inglés). 
5. Flaherty, Nick (26 de julio de 2023). «Race is on for room temperature superconductor». eeNews Europe (en inglés estadounidense).
6. 조승한 (28 de julio de 2023). «'상온 초전도체 구현' 한국 연구에 국내외 논란…"검증 거쳐야"». 연합뉴스 (en coreano). Consultado el 9 de agosto de 2023.
7. «Room-temperature superconductor 'breakthrough' met with scepticism». New Scientist (en inglés estadounidense). 
8.  Lee, Sukbae; Kim, Ji-Hoon; Kwon, Young-Wan (2023). The First Room-Temperature Ambient-Pressure Superconductor. doi:10.48550/ARXIV.2307.12008.