Nitruros de hierro: potentes imanes sin elementos de tierras raras

Desde su aparición relativamente reciente en la escena comercial, los imanes de tierras raras han causado un gran revuelo en la imaginación del público. La cantidad de energía magnética contenida en estos objetos diminutos y brillantes ha dado lugar a avances tecnológicos que no eran posibles antes de su aparición, como los motores de vibración de los teléfonos móviles o los diminutos parlantes de los auriculares y audífonos. Y eso sin mencionar los motores de los vehículos eléctricos y los generadores de las turbinas eólicas, junto con innumerables usos médicos, militares y científicos.

Sin embargo, estos avances tienen un costo, ya que los elementos de tierras raras necesarios para fabricarlos son cada vez más difíciles de conseguir. No es que los elementos de tierras raras como el neodimio sean tan raros geológicamente; más bien, los depósitos están distribuidos de manera desigual, lo que facilita que los metales se conviertan en peones en un interminable juego de ajedrez geopolítico. Es más, extraerlos de sus minerales es una tarea complicada en una era de mayor sensibilidad hacia las consideraciones ambientales.

Afortunadamente, hay más de una forma de fabricar un imán y pronto será posible construir imanes permanentes tan fuertes como los imanes de neodimio, pero sin metales de tierras raras. De hecho, lo único que se necesita para fabricarlos es hierro y nitrógeno, además de conocimientos de la estructura cristalina y algo de ingenio en ingeniería.

Para empezar, ¿qué es un imán permanente? Como muchas preguntas simples sobre la naturaleza, no hay una respuesta fácil que no requiera un buen movimiento de manos. Incluso los físicos llegan a un punto en el que su respuesta se reduce a: "Simplemente no lo sabemos". Pero eso no significa que el magnetismo sea un completo misterio, y lo que sabemos sobre él es bastante sencillo y, de hecho, ayuda a comprender cómo funcionan tanto los imanes de tierras raras como sus alternativas.

Ya hemos analizado los conceptos básicos del magnetismo antes, pero para resumir, cualquier partícula cargada, como un electrón, tiene lo que se conoce como un momento magnético intrínseco, lo que significa que actúan como pequeños imanes. En los átomos con capas electrónicas llenas, estos momentos magnéticos se cancelan entre sí porque cada par de electrones tiene momentos que apuntan en direcciones opuestas. Pero en los átomos con electrones desapareados en sus capas exteriores, no hay nada que anule los momentos magnéticos, lo que significa que estos elementos son magnéticos. Estos elementos tienden a provenir de dos áreas específicas de la tabla periódica: los metales del bloque d como el cobalto, el níquel y el hierro, y los actínidos lantánidos del bloque f, que incluyen los metales de tierras raras como el samario, el neodimio y el praseodimio.

Sin embargo, un imán es mucho más que el origen de sus ingredientes en la tabla periódica. El magnetismo consiste en alinear todos esos momentos magnéticos intrínsecos y actuar en la misma dirección. Así como los electrones en un átomo de un elemento magnético no deben luchar entre sí, los átomos también deben organizarse de modo que todos sus momentos magnéticos apunten en la misma dirección. A esto se le conoce como tener una alta anisotropía magnética y es una de las características de los imanes fuertes. Los metales de tierras raras como el neodimio tienen una anisotropía magnética muy alta, lo que contribuye a la fuerza de los imanes de tierras raras.

Pero los metales de tierras raras por sí solos son imanes bastante pobres, al menos a nivel práctico. Esto se debe a su punto de Curie relativamente bajo, que es la temperatura por encima de la cual una sustancia pierde sus propiedades magnéticas. A temperatura ambiente, una barra pura de neodimio no sería un imán en absoluto. De hecho, sería necesario enfriarlo por debajo de 20 K para tener propiedades magnéticas. Para evitarlo, los metales de tierras raras se mezclan con otros elementos ferromagnéticos para formar aleaciones que tienen una fuerte coercitividad magnética y al mismo tiempo un punto Curie decente. La aleación magnética de tierras raras más común, una combinación de hierro, neodimio y boro, tiene una temperatura de Curie en el rango de 300 a 400 °C, dependiendo de la mezcla exacta de elementos.

Para profundizar más en la madriguera del magnetismo es necesario sentirse cómodo con los conceptos de cristalografía. Este es un tema endiabladamente complicado, con nomenclatura y terminología que son confusas porque parece que es lo mismo que la notación de fórmula química estándar, pero claramente no lo es. Una comprensión completa de cómo la adición de neodimio al hierro crea un poderoso imán permanente, y cómo es posible crear un imán poderoso sin tierras raras, requeriría una inmersión en la cristalografía más profunda de la que tenemos espacio aquí. Por suerte, lo básico será suficiente, junto con un pequeño saludo con la mano. Y el crédito se lo debemos a mi amigo Zachary Tong, quien contribuyó y me ayudó a entender estos temas difíciles.

La estructura cristalina de una sustancia tiene que ver con cómo sus átomos se agrupan en disposiciones ordenadas. El componente básico de los cristales se llama celda unitaria, que es la unidad repetitiva más pequeña posible del cristal. Para los imanes de neodimio, la fórmula de celda unitaria es Nd2Fe14B. Esto resulta confuso cuando se observan los esquemas de la estructura cristalina, que muestran mucho más de dos átomos de neodimio y catorce hierros. Pero lo importante aquí es que la forma de celda unitaria del Nd2Fe14B es lo que se conoce como tetragonal simple (ST), que suena como si fuera una pirámide pero en realidad es un cubo que se ha estirado a lo largo de un eje. Esta asimetría axial le da a cada cristal un alto grado de anisotropía magnética, lo que es parte de la razón por la que los imanes de neodimio son tan fuertes. El otro factor es que el neodimio aumenta la cantidad de electrones desapareados en la aleación en comparación con el hierro simple, lo que genera un momento magnético general más fuerte.

Entonces, con todo esto en mente, ¿cómo puede la adición de nitrógeno al hierro producir imanes que tengan propiedades comparables a los imanes de tierras raras? Nuevamente, tiene que ver en parte con la estructura cristalina y en parte con la estructura electrónica de los elementos de la aleación. El hierro normalmente tiene una celda unitaria que es cúbica centrada en el cuerpo (BCC), donde ocho átomos de hierro están centrados en las esquinas de un cubo perfecto y un átomo está en el punto muerto, o cúbica centrada en las caras (FCC), con un átomo en cada esquina y uno en el centro de cada cara. Pero cuando el nitrógeno se alea con hierro, la estructura de la célula unitaria cúbica se distorsiona en lo que se conoce como estructura tetragonal centrada en el cuerpo (BCT). Lo que sucede es que los átomos de nitrógeno se incorporan al espacio intersticial del cristal, alargándose un lado. Esta asimetría es similar a la estructura cristalina tetragonal de los imanes de neodimio. Junto con las propiedades ferromagnéticas del hierro, el resultado es una aleación fuertemente magnetizable sin necesidad de metales de tierras raras.

Los nitruros de hierro no son nada nuevo. Los procesos de nitruración, como la nitruración con gas mediante la exposición del acero calentado a amoníaco, se han utilizado para el acabado del acero durante más de un siglo. El nitruro de hierro α”-Fe16N2, más complejo, se descubrió por primera vez en 1951; sus propiedades magnéticas se exploraron a principios de los años 1970 y nuevamente en los años 1990 como parte de la búsqueda de nuevos y mejores cabezales para discos duros y otros medios de grabación magnéticos.

Esta aleación se mostró prometedora en el campo magnético, pero resultó lo suficientemente difícil de trabajar como para que los resultados no fueran fácilmente reproducibles, por lo que el interés en α”-Fe16N2 disminuyó hasta finales de la década de 2000, cuando se desarrollaron métodos para producir películas delgadas del material. Estos experimentos demostraron que estas películas pueden tener dos o tres veces el producto de energía magnética, una medida clave para determinar la fuerza de un imán, que los imanes de neodimio. Junto con todas las demás propiedades que se han descubierto, esto convierte al nitruro de hierro en un excelente candidato para un nuevo tipo de imán sin elementos de tierras raras.

En la mayoría de los descubrimientos científicos, hay un largo camino entre el laboratorio y un producto comercial práctico, y esto es cierto con el magnetismo de nitruro de hierro. Muchos de los avances recientes en imanes permanentes de nitruro de hierro provienen del laboratorio de Jian-Ping Wang en el Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática de la Universidad de Minnesota. Allí se han desarrollado cuatro métodos diferentes para sintetizar material α”-Fe16N2 en masa, algunos de los cuales son prometedores en el entorno industrial.

Los primeros métodos para producir α”-Fe16N2 requerían un proceso de alta temperatura con enfriamiento rápido de la muestra nitrurada, lo que no se presta a escalar a la producción industrial. Uno de los primeros intentos de solucionar este problema fue el uso de la implantación de iones. Esta técnica, en la que los iones se aceleran en el vacío mediante un fuerte campo eléctrico y se estrellan contra un sustrato objetivo, es común en la fabricación de semiconductores, donde se utiliza para dopar obleas de silicio. Para fabricar imanes de nitruro de hierro, se montan láminas de hierro puro de 500 nm de espesor sobre un sustrato de silicio y se bombardean con iones de nitrógeno atómico. A esto le sigue una serie de pasos de recocido, que activan el nitrógeno implantado y producen una tensión térmica en el material que atrapa el nitrógeno dentro de la estructura cristalina de la lámina, produciendo la distorsión necesaria. Las láminas de α”-Fe16N2 fabricadas de esta manera muestran un comportamiento magnético duro, y se pueden fabricar imanes prácticos apilando la lámina en capas y uniéndolas en una sola estructura.

También es posible la nitruración a baja temperatura, utilizando nanopartículas de óxido de hierro como material de partida. En este método, las partículas se tratan con gas amoníaco para introducir nitrógeno en la estructura cristalina. Alternativamente, el óxido de hierro se puede mezclar con nitrato de amonio en un molino planetario de bolas; Después de unos días de molienda a 600 rpm, las bolas de acero inoxidable descomponen el nitrato de amonio en nitrógeno elemental, que se difunde en las nanopartículas de hierro. El α”-Fe16N2 resultante se separa luego mediante un imán y se le puede dar formas sólidas. Parece que este método podría ampliarse fácilmente a un proceso industrial.

También es posible la nitruración a alta temperatura de láminas y alambres de hierro. Este método utiliza cintas de una aleación de hierro, cobre y boro y las expone a una atmósfera de amoníaco e hidrógeno a 550°C durante 28 horas, seguido de un tratamiento rápido a 700°C y un enfriamiento con agua helada. Una variación de este método es el método del alambre tensado, en el que se funde hierro de alta pureza en un crisol con urea. El nitrógeno que se descompone de la urea se difunde en el hierro, y la mezcla pasa por un tratamiento térmico y pasos de enfriamiento antes de ser aplastada y cortada en tiras. Las tiras se colocan en un dispositivo de filtrado y se estiran durante una etapa de recocido, que sirve para alargar la estructura cristalina y atrapar el nitrógeno difundido.

Los fuertes imanes permanentes no son lo único para lo que los nitruros de hierro podrían ser buenos. El magnetismo blando, que son materiales con menor coercitividad y son buenos para cosas como los núcleos de transformadores e inductores, o para cabezales de lectura y escritura de medios magnéticos, también puede ser posible dopando α”-Fe16N2 con elementos como carbono, oxígeno o boro. Estos dopantes reducen la anisotropía magnética de la estructura cristalina, lo que dificulta su magnetización permanente mientras mantienen una magnetización de alta saturación.

Los llamados imanes de “tierra limpia” son muy prometedores, hasta el punto de que la Universidad de Minnesota ha creado una empresa, Niron Magnetics, para convertir los conceptos y procesos en productos. Estamos ansiosos por ver hacia dónde llega esta tecnología y esperamos tener potentes imanes fabricados únicamente con óxido y fertilizante.