Los imanes no solo sirven como adornos de nevera sino que son una pieza fundamental de la tecnología que usamos actualmente, desde teléfonos móviles hasta coches. Actualmente hay una gran demanda de imanes eficaces. El problema es que no sabemos de donde obtenerlos.
Para entender cómo fabricar un imán, debemos comprender bien qué es. Un imán es un sólido que ha sido sometido a un fuerte campo magnético (decimos que ha sido magnetizado) y es capaz de producir el suyo propio.
Todos los metales están formados por átomos, con electrones de carga negativa circulando entre ellos. Según la teoría cuántica, estos electrones actúan como pequeños imanes, con dirección norte-sur o sur-norte según su rotación (llamado su numero de espín). En la mayoría de materiales, los electrones que rotan en una dirección y en la contraria están equilibrados, de manera que no se produce ningún efecto magnético ya que se anulan mutuamente. Si aplicamos un campo magnético a estos materiales, los electrones se reorientarán pero rápidamente volverán a su estado de equilibrio, no quedando imantados.
Sin embargo, hay ciertos elementos químicos como el hierro y otros vecinos en la tabla periódica (como el cobalto o el níquel) que pueden formar una estructura especial que se vuelve estable si todos los electrones giran en la misma dirección. Si un material con esta estructura recibe un campo magnético, los electrones se reorientarán en la misma dirección y quedarán fijados en la estructura, formando un imán permanente.
La teoría electromagnética clásica nos dice que cualquier campo eléctrico produce un campo magnético, así que para producir imanes se introducen grandes cantidades de hierro en el centro de motores, generadores y transformadores eléctricos, magnetizando el hierro.
Así producimos un imán, ¿pero es suficientemente bueno? Los imanes de hierro, de derivados del hierro, o de ferrita son baratos por la abundancia del metal, además son fuertes y resisten la corrosión. Pero tienen una gran desventaja: tienen una baja densidad energética. Eso indica que producen un campo magnético muy pequeño (ya lo habrás comprobado con tu imán de nevera, que se quita con facilidad), por lo que se necesita una alta cantidad de material para producir un campo magnético útil. Esto no es problema para las enormes máquinas usadas en la industria, pero en esta época de telefonía móvil y artilugios pequeños, necesitamos algún material que produzca fuertes campos magnéticos en pequeñas cantidades de material.
Inicialmente se ha experimentado con aleaciones de varios elementos químicos, por ejemplo, en 1930 se descubrieron los imanes de aluminio, cobalto y níquel (llamados Alnico) que doblaban la potencia de los imanes de hierro. Pero la verdadera revolución se produjo en 1970 al descubrir las propiedades magnéticas de los lantánidos o “tierras raras”. Estos elementos químicos están en una región inferior de la tabla periódica y tienen una gran cantidad de electrones en comparación al hierro, que pueden ser fijados en una de estas estructuras especiales formando un imán permanente muy potente.
En 1990, se desarrollaron los imanes Neo, formados por neodimio (uno de estos elementos químicos raros) mezclado con hierro y boro. Estos imanes son varios cientos de veces mas fuertes que el magnetismo del núcleo de la tierra. A temperatura ambiente, los imanes Neo son los mas potentes conocidos. El único problema es que pierden magnetismo al aumentar su temperatura por encima de 100ºC, cosa que se arregla añadiendo una pequeña cantidad de disprosio, otro elemento raro. Actualmente, los imanes Neo están presentes en nuestra tecnología: se usan para auriculares, lectores de CDs y DVD, discos duros, dirección asistida en coches, resonancia magnética en medicina… Al aumentar la demanda de estos imanes, surgió un problema: el neodimio es una tierra rara, y como su propio nombre indica, es escasa.
Realmente las tierras raras no son raras pero son difíciles de localizar. Desde la ultima década, todo el neodimio del mundo procede de minas en China, pero sus reservas empiezan a agotarse y poco a poco está aumentando su precio. Buscando alternativas se han reabierto minas en California y creado nuevas minas en Australia, pero las minas en China son las únicas que tienen la combinación exacta de neodimio y disprosio para formar un imán estable a altas temperaturas.
Para producir nuevos superimanes, en Estados Unidos ha comenzado el proyecto REACT (Rare Earth Alternatives in Critical Technologies) en el que 14 equipos de investigación buscan de manera independiente algún imán sustituto que no necesite de elementos químicos escasos. Y están siguiendo diferentes enfoques.
Laura Lewis, de la Universidad de Boston lidera uno de los equipos. Están tratando de encontrar algún superimán combinando hierro y níquel (magnéticos y abundantes). Pero no es nada fácil, las estructuras estables que pueden dar un superimán sólo han sido observadas en meteoritos y han necesitado cientos de años para formarse, tiempo que no disponemos.
Steve Constantinides, de Arnold Magnetic Technologies está probando a combinar níquel, hierro y cobalto en diferentes proporciones y comprobar sus propiedades magnéticas, pero sin levantarse de la silla: está desarrollando un programa informático que simule las estructuras formadas con diferentes combinaciones que permitan comprobar la eficacia de posibles materiales más rápidamente.
Ningún equipo del REACT ha logrado todavía ninguna solución que pueda sustituir a los imanes actuales, pero la carrera ya ha comenzado. ¿Obtendremos nuevos superimanes antes de que se agoten las existencias?
Fuente | New Scientist