Científicos de Brasil y la India producen un cristal con gran potencial de aplicación

Debido a sus propiedades magnéticas, es un material –un óxido de manganeso y cromo dopado con zinc– que podrá emplearse en la fabricación de diversos productos: desde sensores de gases hasta soportes de almacenamiento de datos

Por José Tadeu Arantes  |  Agência FAPESP – Los espinelas son óxidos con fórmulas químicas del tipo AB₂O₄, donde A es un catión (un ion positivo) metálico bivalente, B un catión metálico trivalente, y O, el oxígeno. Debido a la configuración espacial de estas moléculas, se realza el valor de las espinelas por su belleza. Empero, amén de su apariencia, las espinelas en las cuales el catión trivalente B está constituido por el elemento cromo (Cr) ha suscitado un gran interés por otro motivo: sucede que exhiben propiedades magnéticas con un gran potencial de aplicación tecnológica, que va de sensores de gases a cargadores de fármacos, y de soportes de almacenamiento de datos a componentes de sistemas de telecomunicaciones.

En el marco de un estudio realizado por científicos brasileños e indios se investigó un tipo peculiar de espinela: el cromito de manganeso dopado con zinc. Se sintetizaron y se calcularon en laboratorio nanopartículas de ese material, descrito según la fórmula Mn_0.5Zn_0.5Cr₂O₄ [en la cual el manganeso (Mn) y el zinc (Zn) componen el catión bivalente A], mediante la aplicación de la Teoría del Funcional de la Densidad (Density Functional Theory o DFT), un método derivado de la mecánica cuántica y empleado en física de sólidos y en química para dilucidar estructuras cristalinas complejas.

Diversas técnicas de análisis –la difracción de rayos X, la difracción de neutrones, la espectroscopía de rayos X y espectroscopía Raman– permitieron determinar las propiedades estructurales, electrónicas, vibratorias y magnéticas de este material. Y el grupo de científicos publicó un artículo al respecto en el Journal of Magnetism and Magnetic Materials, intitulado “Structural, electronic, vibrational and magnetic properties of Zn²⁺ sustituted MnCr₂O₄ nanoparticles”.

Este estudio contó con la participación de investigadores del Centro de Desarrollo de Materiales Funcionales (CDMF), uno de los Centros de Investigación, Innovación y Difusión (CEPIDs) que cuentan con el apoyo de la FAPESP.

El óxido de manganeso y cromo dopado con zinc exhibe una transición de fase magnética cuando se lo enfría a la temperatura de 19 Kelvin (-254,15 Celsius), pasando de ser paramagnético a ser antiferromagnético.

Cabe recordar que los materiales paramagnéticos son aquellos que se ven afectados por un campo magnético externo. Esto sucede porque sus átomos o sus moléculas poseen un electrón con espín desapareado. En tanto, un imán, es decir, un material magnético propiamente dicho, posee varios electrones apareados y organizados. El efecto acumulativo de esos electrones genera la atracción magnética. En los materiales antimagnéticos o antiferromagnéticos, los espines de todos los electrones aparecen apareados: por cada electrón con espín apuntando arriba existe en correspondencia un electrón con espín apuntando abajo. Por eso no responden de manera perceptible a la presencia de campos magnéticos externos moderados.

“El interés en este material se debe a sus propiedades magnéticas”, declaró a Agência FAPESP el químico Elson Longo, profesor emérito del Departamento de Química de la Universidad Federal de São Carlos (UFSCar), en Brasil, y director del Centro de Desarrollo de Materiales Funcionales (CDMF). Longo es uno de los signatarios del artículo mencionado.

“Los estudios convencionales tienen en cuenta las propiedades magnéticas en forma genérica, a partir del sistema como un todo. Pero nosotros desarrollamos un método cuántico que permite determinar las propiedades magnéticas con base en las morfologías de las superficies de la estructura cristalina de los materiales. De este modo, antes incluso de sintetizar un material, logramos prever teóricamente sus propiedades magnéticas. En este caso específico, sabíamos que el zinc promovería el aumento de la superficie con propiedades magnéticas, lo cual sucedió efectivamente”, informó el investigador.

Según Longo, para poder comprenderse bien qué es un cristal, debe considerárselo teniendo en cuenta tres escalas diferentes. “A larga distancia tenemos el cristal entero. A corta distancia tenemos el menor clúster de átomos posible. A media distancia tenemos la interacción entre dos o más clústeres. Si el clúster aparece ordenado perfectamente, no exhibirá un comportamiento paramagnético y mucho menos magnético. Pues, por cada electrón con espín para arriba, habrá en contrapartida un electrón con espín para abajo. Con todo, de efectuarse alguna alteración –si se modifican los ángulos de las uniones químicas, por ejemplo–, pueden surgir electrones desapareados. Y el material se volverá paramagnético o incluso magnético”, dijo.

Esta perturbación también puede ocurrir debido a interacciones a media distancia. Por ende, el magnetismo tiene la posibilidad de producirse tanto debido a alteraciones a corta como a media distancia. Por eso un mismo material puede exhibir propiedades distintas dependiendo de la variación de determinados parámetros. Y esto se relaciona con la forma por la cual se sintetiza el material.

“El CDMF se ha abocado a la realización de estudios tendientes a identificar materiales sumamente baratos con propiedades bactericidas y fungicidas. Una de las aplicaciones de los mismos sería la producción de paquetes destinados a la mejor conservación de los alimentos. Otro frente consiste en identificar materiales anticancerígenos inorgánicos. Y una tercera línea de investigación apunta a hallar materiales fotodegradadores, es decir, capaces de degradar moléculas orgánicas para transformarlas en dióxido de carbono y agua. Estos materiales podrían utilizarse para purificar ríos contaminados”, afirmó Longo.

Puede accederse a la lectura del artículo in intitulado Structural, electronic, vibrational and magnetic properties of Zn²⁺ sustituted MnCr₂O₄ nanoparticles en el siguiente enlace: www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0304885319337928.