Una técnica innovadora crea tetrataenita, un material utilizado en imanes permanentes que solo se encuentran en meteoritos.

Los imanes permanentes se utilizan ampliamente en la industria y desempeñan un papel particularmente importante en los generadores de energía y los motores. Los mejores imanes están hechos de metales de tierras raras, pero como su nombre indica, estos elementos no son omnipresentes en la naturaleza.

Además, su minería no es respetuosa con el medio ambiente y también existen preocupaciones sobre la seguridad de la cadena de suministro de tierras raras, lo que lleva a los investigadores a buscar alternativas. El más popular hasta la fecha es una aleación llamada tetrataenita, que consiste en una cantidad igual de hierro y níquel dispuestos en un patrón tetragonal tridimensional específico.

En la naturaleza, la formación de esta estructura atómica requiere condiciones muy específicas; es decir, un enfriamiento extremadamente lento de la aleación, lo que da como resultado un cambio en la posición relativa de los átomos dentro de la red cristalina del material. Durante muchos años, los científicos creyeron que la principal fuente de tetrataenita en la Tierra provenía de meteoritos a base de hierro. A medida que viajan por el espacio, estos materiales se enfrían a un ritmo de unos pocos grados durante millones de años, ya que el enfriamiento es muy lento para un cuerpo que ya está bastante frío (por ejemplo, un meteoro).

Incluso si esta velocidad de enfriamiento pudiera lograrse en el laboratorio, sería totalmente impráctico para la producción industrial de imanes. Por lo tanto, los científicos han desarrollado otras técnicas para obtener el patrón atómico necesario en esta aleación de hierro y níquel.

Han tenido éxito, pero todos los métodos que involucran la irradiación de la aleación con electrones, neutrones o iones hasta ahora solo se han limitado a superficies o pequeñas secciones transversales del material y, por lo tanto, no son adecuados para la producción de imanes grandes.

Enfriamiento más rápido con la ayuda del fósforo

Para superar estas limitaciones, un equipo de investigadores dirigido por Yurii Ivanov del Istituto Italiano di Tecnologia y Lindsay Creer de la Universidad de Cambridge analizó más de cerca el proceso de enfriamiento de la aleación de hierro y níquel y descubrió que el fósforo se agrega mecánicamente a la mezcla de los dos átomos, la tetrataenita, se forma a una velocidad de enfriamiento de 11 a 15 órdenes de magnitud más rápida de lo que se pensaba anteriormente debido a interacciones sutiles entre el fósforo, el hierro y el níquel.

Trabajaron con varias varillas de tamaño milimétrico y botones de forma aproximadamente semiesférica, todos hechos de aleaciones que contenían cantidades variables de níquel, hierro y fósforo. Los científicos calentaron las muestras a una velocidad de aproximadamente 1 grado por segundo a una temperatura de aproximadamente 1000 Kelvin, luego las enfriaron a una velocidad comparable y midieron la cantidad de aleación que se formó con el patrón atómico correspondiente.

El resultado parecía realmente innovador, ya que la técnica producía una aleación en la que el 60 % de la estructura cristalina del material contenía el patrón atómico deseado, lo que la hacía adecuada para la fabricación de imanes reales.

El análisis de la red cristalina mostró que el tamaño y la forma de la celda tetragonal coincidían con los encontrados en la aleación de origen meteórico, lo que confirma las expectativas de los investigadores.

En el artículo publicado en ciencia avanzadalos científicos notaron que, a pesar de este impresionante resultado, es posible mejorar aún más la eficiencia del proceso de formación de tetrataenita ajustando cuidadosamente las cantidades de los elementos en la aleación. Además, creen que sus propiedades magnéticas mejoran cuando se coloca en un campo magnético durante el proceso de enfriamiento.

Una característica interesante de este estudio es que los avances tecnológicos como estos pueden conducir a un cambio en nuestra comprensión de un fenómeno físico, como la forma en que se forma esta aleación en los meteoritos.

El hecho de que los científicos pudieran obtener la aleación tan rápido podría indicar que también se forma en meteoritos en un tiempo mucho más corto de lo que se pensaba anteriormente, y el equipo especula que estos entornos también pueden contener fósforo según sus hallazgos. Esto cuestiona la exactitud de nuestra comprensión de los meteoritos, su origen y formación, que debería abordarse en futuras investigaciones.

Referencia: Yurii P. Ivanov, A. Lindsay Greer, et al., Direct Formation of Hard-Magnetic Tetrataenite in Bulk Alloy Castings, Advanced Science (2022), DOI: 10.1002/advs.202204315.

Crédito de la foto de portada: JochenSchhaft en Pixabay

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