Imprimir Republicar

Ciencia

El frío y el calor que emana de los imanes

Un equipo de científicos de la Unicamp descubre inesperadas propiedades en materiales magnéticos

Nuevos conceptos científicos están transformando el modo de funcionamiento de los electrodomésticos. Primeramente fue la televisión, cuya imagen no se genera más por la mera colisión de electrones ultraacelerados contra una pantalla fluorescente. Los aparatos con pantallas de cristal líquido o plasma, brindan imágenes más nítidas mediante la acción de corrientes eléctricas o de gases, que originan señales luminosas; aunque a un precio equivalente al de un automóvil: de 20 mil a 80 mil reales. Los próximos aparatos que pasarán por una metamorfosis similar serán las heladeras: la próxima generación de estos electrodomésticos no funcionará mediante la expansión y la contracción de un gas que extrae calor del aire al circular por los tubos de las paredes del refrigerador, sino por la acción de campos magnéticos, que cumplirán la misma tarea con mayor eficiencia y menor pérdida de energía.

En los prototipos de máquinas frigoríficas magnéticas ?que se encuentran en fase de desarrollo en algunos países como Estados Unidos, Japón y Francia el material adoptado para reducir la temperatura es el gadolinio, un metal seleccionado por su maleabilidad y por tener una aceptable eficiencia a temperatura ambiente. Pero es casi seguro que el gadolinio se usará provisoriamente: para los nuevos refrigeradores, se buscan materiales capaces de enfriar o calentar con mayor eficiencia cuando se los someta a la acción un campo magnético. Recientes descubrimientos realizados en Campinas demuestran que pueden efectivamente existir alternativas con mayor capacidad de refrigeración.

Físicos de la Universidad Estadual de Campinas (Unicamp) y de la Universidad del Estado de Río de Janeiro (Uerj) verificaron que un compuesto formado por manganeso y arsénico, somentido a alta presión tiene una capacidad de extraer calor del ambiente 20 veces mayor que la del gadolinio a la presión ambiente de una atmósfera, la misma bajo la cual vivimos sobre la superficie del planeta. Es un hallazgo científico relevante, pese a que por ahora, está lejos de tener aplicación. La alta presión a que debe someterse este compuesto de manganeso y arsénico el MnAs para arribar a ese resultado es tan sólo una de las limitaciones que impiden que esa propiedad se emplee de inmediato en los prototipos de frigorífico magnético.

Pero puede salir de allí algo nuevo, incluso en términos prácticos, porque esta capacidad tan intensa de absorber calor a la que los físicos de la Unicamp denominan efecto magnetocalórico colosal? no había sido observada antes en ningún otro material. Este descubrimiento abre un campo de investigación de otros compuestos que presenten el efecto colosal y logren extraer mucho más energía de la región que debe enfriarse, sin las limitaciones del arseniuro de manganeso (MnAs), comenta el físico Sérgio Gama, investigador de la Unicamp y coordinador de este estudio, relatado en la edición de 3 de diciembre de Physical Review Letters.

En ese mismo artículo, Gama también sugiere una explicación para el efecto colosal. Tal como él y su equipo verificaron experimentalmente, el manganeso-arsénico enfría por medio de tres efectos asociados (vea en la ilustración). El primero es el mecanismo más común de los materiales de este tipo: el desalineado de los spins de los electrones. El spin es una propiedad magnética de las partículas atómicas elementales, con dirección y sentido, como el campo magnético de la Tierra. La orientación del spin de una partícula puede verse afectada por un campo magnético externo o por los spins de las partículas vecinas: cuando los spins se alinean en un mismo sentido, la temperatura de un cuerpo cualquiera aumenta ese es el principio por el cual se pretende llegar a una refrigeración más eficiente. El segundo mecanismo que explica el efecto colosal es la transformación de la propia estructura atómica la red cristalina del MnAs. Finalmente, el tercero y más importante artificio del MnAs para absorber la energía resulta de la interacción de la red cristalina con el campo magnético, que se expresa por medio de la deformación del material.

Hasta ahora, el efecto magnetocalórico
La capacidad de un material magnético de absorber o liberar calor cuando se lo somete a un campo magnético se explicaba esencialmente por medio del alineamiento o desalineamiento de los spins, sin que los cambios en la red de los átomos tuvieran mucha importancia. Cuando se lo somete a un campo magnético, en un ambiente térmicamente aislado, los spins de los electrones se alinean en un solo sentido, abdicando así del habitual pandemonio en que viven. Este ordenamiento redunda en una disminución de la entropía o desorden de un sistema físico. Como no hay intercambio de calor con el ambiente, la entropía total debe ser constante: como consecuencia de ello, los átomos o moléculas del material sometido al campo se desorganizan de manera tal de compensar el alineamiento de los spins. A mayor desorden, mayor agitación atómica y así, la temperatura del material se eleva.

Por medio del alineamiento de spins, un trozo de gadolinio se calienta 4°C cuando se lo introduce en un ambiente aislado térmicamente, al cual se le aplica un campo magnético de 1,5 Tesla, alrededor de 30 mil veces mayor que el campo magnético terrestre. Como el efecto es reversible, al retirárselo del campo, el gadolinio se enfría los mismos 4°C. Parece poco para mantener una cerveza helada, ¿cierto? Pero sucede que la construcción de los refrigeradores magnéticos prevé el uso de intercambiadores de calor especiales, denominados regeneradores, que amplían esta variación de temperatura. Para ser comercialmente viable, la refrigeración magnética depende también de nuevos arreglos geométricos de imanes permanentes como los empleados en el lector de disco rígido de la computadora, o en los motores que mueven el limpiaparabrisas de los automóviles para que se formen campos magnéticos intensos y de bajo costo.

Con el gadolinio, la capacidad de absorber o ceder calor es de origen puramente magnético: resulta principalmente del alineamiento de los spins. Así sucede también con otros materiales con efecto magnetocalórico clásico, el más tenue en esta categoría. También el mecanismo básico por el cual funcionan los materiales que exhiben el otro efecto conocido hasta ahora, el llamado efecto magnetocalórico gigante, evidentemente más intenso que el clásico, pero inferior al colosal. Algunas aleaciones que exhiben ese efecto gigante como la llamada 5:2:2, formada por cinco átomos de gadolinio, dos de germanio y dos de silicio cuentan también con otro artificio: absorben una cantidad de energía, el llamado calor latente, mientras que su temperatura permanece constante. Es el mismo fenómeno que se verifica eb un bloque de hielo que se está derritiendo: el hielo absorbe calor, que se emplea en su transformación al estado líquido; su temperatura se estaciona al llegar a  0°C y recién vuelve a subir después de que todo el hielo se ha derretido.

Deformación
Gama demostró experimentalmente que, en el caso del arseniuro de manganeso, al margen del alineamiento de los spins de los electrones y del calor latente, el propio conjunto de los átomos del material, al que los físicos denominan red cristalina, contribuye de manera decisiva para explicar esta notable capacidad de extraer calor del ambiente: al sometérselo a la presión y a un campo magnético, el manganeso-arsénico también se deforma, provocando el efecto colosal, que es siete veces mayor que el efecto gigante. Otros materiales también exhiben esta propiedad, llamada efecto magnetoelástico, que normalmente genera su deformación. Pero en el MnAs es notable: se contrae un 3%. Es un valor extremadamente alto, dice Gama, ya que la deformación de otros materiales es decenas o centenares de veces menor.

Pese a estar dotado de estas propiedades, el MnAs no es un material conveniente para aplicaciones, pues una de sus características genera un problema insuperable: aun a presión ambiente, no regresa al punto de origen cuando se lo somete a un ciclo de calentamiento y enfriamiento. Cuando la temperatura aumenta, los spins se desalinean, y su arreglo atómico se modifica al llegar a los 43°C en este punto se da la llamada transición magnética y estructural. Pero el MnAs solamente vuelve a su estado inicial, con los spins alineados y con la estructura hexagonal a una temperatura muy más baja, de 35°C. Es como si el agua se convirtiera en vapor a 100°C y, al enfriársela, solamente volviera al estado líquido a 80°C. Si el MnAs se usara en una máquina frigorífica, sería necesaria una energía extra para hacer que el ciclo de refrigeración se cierre y otro ciclo recomience algo bastante ineficiente.

Los ciclos de refrigeración deben comenzar y terminar a la misma temperatura o con una variación mínima, para de este modo reducir las pérdidas de eficiencia, comenta Gama. Para complicar la cosa, cuando se somete al MnAs a altas presiones, esta diferencia de temperatura aumenta más aún: llega a 32°C. En busca de alternativas, el grupo de la Unicamp descubrió, en estudios de otros grupos, que la diferencia de temperatura entre el comienzo y el final del ciclo, la llamada histéresis, es cercana a cero a presión ambiente cuando se reemplaza una pequeña parte (el 5%) del arsénico por antimonio. Los compuestos con mayor cantidad de antimonio parecen ser prometedores, dice el coordinador del grupo de la Unicamp, aunque todavía se observa histéresis bajo presión.

Célula brasileña
Gama trabaja con materiales magnetocalóricos desde 2000, pero empezó a estudiar el comportamiento de materiales bajo presión a partir de aquello que, junto con su grupo, conocieron en un congreso de magnetismo realizado en julio de 2003 en Roma, capital de Italia. Fue allí que llegaron a un dispositivo del tamaño de un bolígrafo una célula de presión, producido, como después descubrieron, por un carioca que había abierto una empresa en Cambridge, Inglaterra. Como su precio era alto alrededor de 20 mil dólares, los físicos de la Unicamp resolvieron construir una célula similar en Brasil. Hicieron un proyecto propio y llegaron a buen puerto, aprovechando la habilidad de los técnicos del Instituto de Física. Construyeron tres células, utilizadas por otros grupos de investigación del país. Cada una de ellas costó menos de 3 mil reales en materiales.

La célula brasileña, que estaba lista dos meses después del congreso en Italia, es un cilindro de cobre-berilio de 10 centímetros de longitud por 8 milímetros de diámetro, con dos pistones sujetos con dos tornillos. Los pistones presionan a una cápsula con una muestra de manganeso-arsénico de entre 1 y 2 milímetros, inmersa en aceite mineral. Este cilindro se coloca dentro de un aparato llamado magnetómetro con un sensor superconductor por interferencia cuántica (tipo Squid, por su sigla en inglés), que mide el magnetismo del material que se desea estudiar, ubicado dentro de una cápsula de teflón. Con este aparato, el equipo de Gama puedo entonces medir el efecto magnetocalórico bajo presión, que a la época aún no había sido descrito.

El primer material que se midió bajo presión fue justamente el manganeso arsénico, ya estudiado por los físicos de la Unicamp debido a que presentaba dos efectos gigantes: el magnetocalórico y el magnetoelástico. Y Gama no fue el primero en reportar el efecto magnetocalórico bajo presión pura y exclusivamente porque un grupo español, de la Universidad de Zaragoza, junto con otro, de Praga, República Checa, publicó antes, también en la revista Physical Review Letters, los resultados logrados con un compuesto a base de terbio, germanio y silicio. Pero, en ese caso, era solamente el efecto gigante, no el colosal.

El Proyecto
Estudio del efecto magnetocalórico en compuestos intermetálicos
Modalidad
Proyecto Temático
Coordinador
Sérgio Gama – Unicamp
Inversión
R$ 2.285.714,11 (FAPESP)

Republicar