¿Alguna vez te has preguntado por qué cuando acercas un imán a una barra de hierro se pega a ella, pero si lo acercas a algo que esté hecho de otro tipo de metal no? A continuación, exploramos los metales magnéticos.
Propiedades magnéticas de los metales
Diferencias entre metales magnéticos y no magnéticos
No todos los metales poseen propiedades magnéticas. De hecho, naturalmente son solo tres los que lo hacen: el hierro, el cobalto y el níquel. Además, no se encuentran en la naturaleza de forma natural, sino en forma de compuestos. Son minerales de estos tres metales los que son magnéticos de forma natural, como la magnetita.
Influencia de la estructura atómica y los electrones
La capacidad magnética de los metales tiene que ver con su estructura atómica. En ella, los electrones que rodean el núcleo atómico tienden a ordenarse por parejas, excepto en aquellos casos en los que el número de electrones es impar y alguno de ellos queda suelto, dando lugar a un campo magnético propio. Entonces, y por la acción de todos esos electrones sueltos de cada uno de sus átomos, ese metal presenta esa característica que hace posible que atraiga a los imanes a temperatura ambiente.
Metales naturalmente magnéticos
Hierro, cobalto y níquel
El hierro, el cobalto y el níquel son los tres metales que poseen propiedades magnéticas de forma natural. Estos metales se caracterizan por tener electrones no apareados en sus capas electrónicas, lo que les permite generar un campo magnético propio.
El hierro es el metal magnético más conocido y utilizado. Su abundancia en la corteza terrestre y su capacidad para ser magnetizado fácilmente lo hacen ideal para la fabricación de motores, generadores y transformadores. El cobalto, aunque menos abundante que el hierro,se usa en la fabricación de imanes permanentes y en aleaciones especiales que requieren propiedades magnéticas específicas.
El níquel, por su parte, es conocido por su resistencia a la corrosión y su capacidad para mantener su magnetismo incluso a temperaturas elevadas. Estas propiedades hacen que el níquel sea un componente valioso en la fabricación de baterías recargables, catalizadores y revestimientos protectores.
Ejemplos de minerales magnéticos: la magnetita
La magnetita es uno de los minerales más conocidos por sus propiedades magnéticas. Compuesto principalmente de óxido de hierro, la magnetita es un ejemplo clásico de un mineral que exhibe magnetismo natural. Su estructura cristalina permite la alineación de los momentos magnéticos de los átomos de hierro, resultando en un material que puede atraer imanes de manera efectiva.
La magnetita ha sido utilizada desde la antigüedad, tanto en aplicaciones prácticas como en estudios científicos. En la antigua China, la magnetita se utilizaba para fabricar brújulas, aprovechando su capacidad para alinearse con el campo magnético de la Tierra. Hoy en día, la magnetita se utiliza en diversas aplicaciones industriales, incluyendo la purificación de agua y la fabricación de pigmentos.
Innovaciones en metales no magnéticos
Logros de la Universidad de Leeds en cobre y manganeso
En el año 2015 un grupo de investigación de la Universidad de Leeds en Reino Unido consiguió generar propiedades magnéticas en delgadas placas de cobre y manganeso, haciendo que presentasen un comportamiento similar al de los tres mencionados.
Así, los investigadores de Leeds se inspiraron en los estudios que el físico teórico Edmund Stoner había realizado en la década de 1930 con el fin de descubrir cómo hacer que esos electrones alineasen sus campos magnéticos. Así, colocaron finísimas placas de los metales en capas de los denominados buckyballs, una clase de estructura de moléculas que tiene forma de jaula constituidas por 60 átomos de carbono, las cuales consiguen quitar electrones de la película del metal, volviéndolas parcialmente magnéticas.
Aunque, eso sí, creando imanes mucho más débiles que los metales naturalmente magnéticos. Además, el magnetismo se desvanece al cabo de unos días, como mucho, semanas, y depende de que el metal no se oxide.
Publicación en Nature y su impacto en la ciencia
Los resultados de la investigación de la Universidad de Leeds fueron publicados en la revista Nature. A pesar de que crean imanes más débiles, el descubrimiento podría tener importantes aplicaciones de cara al futuro, por ejemplo, en el ámbito de la imagen médica o la informática, y promoviendo alternativas más ecológicas en el desarrollo de turbinas o instrumentos clínicos utilizados para hacer resonancias magnéticas.
Clasificación de los materiales magnéticos
Ferromagnéticos, paramagnéticos y diamagnéticos
Desde el punto de vista científico y en base a sus propiedades magnéticas, hay tres tipos de materiales: ferromagnéticos (hierro, cobalto y níquel), paramagnéticos (débil respuesta magnética mientras dura un campo magnético externo) y diamagnéticos (débil repulsión magnética en presencia de un campo magnético externo).
Factores que afectan la respuesta magnética: temperatura y estructura cristalina
Además, hay que tener en cuenta que la respuesta magnética de un material está influenciada por factores como la temperatura y la estructura cristalina. A medida que la temperatura aumenta, la energía térmica puede interrumpir la alineación de los momentos magnéticos, lo que puede debilitar o incluso eliminar el magnetismo en algunos materiales.
Generación de magnetismo artificial
Uso de buckyballs para alinear electrones
La generación de magnetismo artificial en metales no magnéticos ha sido un área de investigación activa en la ciencia de los materiales. Un enfoque innovador para lograr esto es el uso de buckyballs, una estructura molecular compuesta por 60 átomos de carbono dispuestos en forma de jaula. Estas estructuras pueden interactuar con las capas superficiales de los metales. Así, se altera la disposición de los electrones, lo que permite la generación de un campo magnético.
Los buckyballs actúan como una especie de catalizador. Extraen electrones de la superficie del metal y provocan que los electrones restantes se alineen de manera que generen un campo magnético. Esta técnica no solo tiene el potencial de crear nuevos materiales magnéticos, sino que también podría tener aplicaciones en la creación de dispositivos electrónicos avanzados y en el desarrollo de tecnologías que requieren una manipulación precisa del magnetismo.
Limitaciones: imanes débiles y temporales
A pesar de los avances en la generación de magnetismo artificial, existen limitaciones significativas. Los imanes creados mediante el uso de buckyballs y otras técnicas similares tienden a ser más débiles que los imanes naturales. Esta debilidad se debe a la naturaleza temporal de la alineación electrónica inducida, que puede desvanecerse con el tiempo o bajo ciertas condiciones ambientales.
Los imanes creados de esta manera, además, son susceptibles a la oxidación y otros procesos químicos que pueden alterar la disposición electrónica y reducir su magnetismo. Además, la dependencia de estructuras moleculares complejas, como los buckyballs, puede limitar la escalabilidad y la viabilidad económica de estas técnicas para aplicaciones industriales a gran escala.
Posibles aplicaciones futuras
Impacto en imagen médica, informática y tecnología ecológica
El desarrollo de metales con propiedades magnéticas personalizadas tiene el potencial de revolucionar varias industrias, incluida la imagen médica, la informática y la tecnología ecológica. En el campo de la imagen médica, los materiales magnéticos avanzados podrían mejorar la resolución y la precisión de las técnicas de resonancia magnética y permitir, así, diagnósticos más precisos y menos invasivos.
En la informática, los materiales magnéticos personalizados podrían desempeñar un papel crucial en el desarrollo de dispositivos de almacenamiento de datos más eficientes y compactos. La capacidad de manipular el magnetismo a nivel atómico podría conducir a la creación de memorias magnéticas con mayor capacidad y velocidad.
La tecnología ecológica también podría beneficiarse de los avances en materiales magnéticos. Los generadores y motores eléctricos que utilizan materiales magnéticos personalizados podrían ser más eficientes y sostenibles al reducir el consumo de energía y las emisiones de carbono. Además, los materiales magnéticos avanzados podrían utilizarse en la creación de sistemas de energía renovable más eficientes.
Referencias
- Brück, Ekkes H. (ed.). 2017. Handbook of magnetic materials. Elsevier.
- Cartlidge, E. 2015. "Non-magnetic metals turned into magnets". Nature. DOI: https://doi.org/10.1038/nature.2015.18129
