El grupo de investigación está utilizando como material de estudio para este proyecto aleaciones magnéticas amorfas y nanocristalinas. Los términos "magnético”, “magnetismo”, etc. derivan del primitivo “magnètès” griego que se asocia a la región de Magnesia, en el Asia Menor, rica en yacimientos de minerales férricos. La magnetita, entre otros óxidos de hierro, muestra en su estado natural una fuerte atracción por el hierro, y aunque esta propiedad fue conocida desde tiempos muy remotos, el origen del ferromagnetismo, fenómeno esencialmente cuántico, eludió una explicación hasta el siglo XX.

Desde el punto de vista de sus aplicaciones, los materiales magnéticos han jugado un papel determinante en importantes avances tecnológicos; baste recordar la brújula, uno de los más antiguos inventos tecnológicos o la trascendental aportación de estos materiales en la generación y distribución de energía eléctrica a gran escala desde el siglo XIX y en el espectacular desarrollo de la tecnología de la información en las últimas décadas. En nuestra existencia cotidiana encontramos imanes por doquier: transformadores, motores, sensores, teléfonos móviles, discos duros de ordenador, discos compactos, tarjetas de crédito, billetes de banco, etc.

Hay dos hechos básicos a considerar en la utilización de los materiales magnéticos: el comportamiento ferromagnético y la respuesta a un campo magnético. Por un lado, el comportamiento ferromagnético, consecuencia de una ordenación espontánea de los momentos atómicos en estos materiales, desaparece a una determinada temperatura, lo que supone un límite térmico en las aplicaciones de estos materiales. Por otro, la respuesta a un campo magnético, la imanación macroscópica, depende de las propiedades del material, que pueden definirse en relación a su ciclo de histéresis.

La coercitividad, campo magnético necesario para anular la imanación del material, puede utilizarse para clasificar los materiales magnéticos en tres categorías básicas. En primer lugar, materiales blandos, con baja coercitividad, para transformadores, motores, etc. En segundo término, materiales duros, con elevada coercitividad, para imanes permanentes. Por último, materiales de registro magnético, con coercitividades medias, para almacenamiento de información. El gran desarrollo de los materiales magnéticos operado en las últimas décadas está ligado al control de la microestructura del material, que ha permitido extender el rango de coercitividades a más de siete órdenes de magnitud.

Aplicaciones de los materiales blandos

El interés del proyecto se centra en los materiales magnéticos blandos, campo en el que cabe destacar como hitos la utilización, a partir de 1970, de materiales amorfos, sustancias que carecen del orden estructural de largo alcance, característico del estado cristalino, y posteriormente, a partir de 1990, el desarrollo de aleaciones nanocristalinas, constituidas por nanocristales de unos 10 nanometros dispersos en una matriz amorfa, que se obtienen por cristalización controlada de un precursor amorfo.

Las excelentes propiedades como magnéticos blandos de los materiales amorfos pueden cifrarse en las expectativas de ahorro energético en su utilización en núcleos de transformadores eléctricos: la sustitución de núcleos convencionales de acero al silicio por los de aleaciones amorfas supone una reducción en las pérdidas de energía que pueden estimarse en torno al 75 %. Ello supone, además, una reducción de la emisión de CO2 en el sistema de generación eléctrica (sólo en Japón se estima en 4 millones de toneladas/año).

Entre otras potenciales aplicaciones de estos materiales cabe citar la refrigeración magnética a temperaturas próximas al ambiente, utilizando el efecto magnetocalórico. Este efecto, usado tradicionalmente a ultra-bajas temperaturas, consiste en una variación de temperatura asociada a procesos de imanación/desimanación del material y en los últimos años ha cobrado interés su aplicación al entorno de la transición ferro-paramagnética. La optimización de la respuesta magnetocalórica en materiales amorfos podría hacer de ellos candidatos a sustituir a las aleaciones basadas en gadolinio y otras tierras raras, propuestas inicialmente para los prototipos.

Objetivos del estudio

El proyecto se centra en el estudio de la relación microestructura-propiedades magnéticas de aleaciones amorfas y nanocristalinas basadas en hierro en orden a una mejor comprensión del comportamiento termomagnético de estos materiales, guía básica para la optimización de sus propiedades. En la preparación de las aleaciones, junto a las técnicas convencionales de solidificación rápida, se exploran como vía alternativa las de molienda y aleado mecánico, de gran versatilidad y que facilitan el posterior conformado en aplicaciones tecnológicas de estos materiales.

De entre los objetivos del proyecto más directamente relacionados con las aplicaciones de estos materiales puede citarse el aumento del límite térmico de comportamiento magnético blando, extendiendo el rango de temperaturas de su posible utilización tecnológica y mejorando la estabilidad térmica de las propiedades en dicho intervalo. Además, los científicos prestan atención al estudio de la respuesta magnetocalórica de las aleaciones amorfas, optimizando mediante cambios composicionales de las aleaciones su capacidad de refrigeración y su temperatura óptima de operación.

Más información:

Alejandro Conde Amiano
Facultad de Física
Departamento de Física de la Materia Condensada
Universidad de Sevilla

E-mail: conde@us.es