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Nuevos materiales

Un imán diferente

Un equipo de investigadores brasileños y uruguayos desarrolla un grafito que tiene propiedades magnéticas

Investigadores de la Universidad Federal de São Carlos (UFSCar) y de la Universidad de la República (Udelar), con sede en Montevideo, Uruguay, lograran transformar un compuesto puramente orgánico y no metálico – el carbono grafito – en un imán mediante un tratamiento químico de bajo costo. El nuevo material abre el camino a la fabricación de dispositivos magnéticos tales como sensores y detectores, usados en áreas que van de la ingeniería espacial hasta la medicina. Hasta ahora, solamente investigadores europeos habían llegado a este logro, pero aplicando técnicas mucho más caras y complejas, como es el caso del método desarrollado por un equipo de investigadores de Alemania, que recurrió al bombardeo de un haz de protones generado por un reactor nuclear para producir el magnetismo en el grafito. “Además de ser un proceso mucho más oneroso, complejo y todavía no totalmente explicado, el magnetismo que ellos obtuvieron es aproximadamente diez veces menor que el de nuestro carbono”, explica uno de los inventores, el ingeniero de materiales Fernando Manuel Araújo-Moreira, docente del Departamento de Física de la UFSCar, y coordinador de los trabajos en Brasil.

La importancia de este invento radica en el hecho de que, durante mucho tiempo, la comunidad científica creyó que un material magnético debería obligatoriamente contener átomos de elementos metálicos tales como el hierro, el cobalto y el níquel. La investigación llevada a cabo por los científicos de las universidades brasileña y uruguaya demostró lo inverso, pues el grafito sólo contiene átomos de carbono. “Conferimos a arreglo de átomos de carbono, que es el elemento base de todas las estructuras orgánicas, una nueva propiedad: el magnetismo”, dice Araújo Moreira. La Fundación del Apoyo Institucional de la UFSCar en el Instituto Nacional de Propiedad Industrial (INPI) depositó la patente del invento, que tiene cotitularidad de las dos universidades, y se denomina Proceso de preparación de materiales grafíticos magnéticos y materiales así preparados. La lista de inventores incluye, además de a Araújo Moreira, a la doctoranda Helena Pardo y el docente Álvaro Mombrú, coordinador de los trabajos en Uruguay

El desarrollo del nuevo material ha repercutido también en el medio empresarial. Los investigadores de la UFSCar están en negociaciones con la empresa brasileña Nacional de Grafite con sede en la ciudad de Itapecerica, Minas Gerais. Esta es la mayor fábrica mundial de grafito natural cristalino, con capacidad para producir 46 mil toneladas anuales, siendo que la mitad de la producción se les vende a clientes del exterior. “El acuerdo prevé un aporte de alrededor de 300 mil reales para dar continuidad a nuestras investigaciones, ahora a escala industrial, teniendo en la mira las aplicaciones tecnológicas”, dice Araújo Moreira.

Las investigaciones destinadas a la obtención de materiales orgánicos con propiedades magnéticas son muy recientes, y sólo se iniciarán en la década pasada. Según el investigador de la UFSCar, hasta hoy en día, científicos de todo el mundo se preguntan si es posible producir un material puramente orgánico con propiedades magnéticas, “Algunos grupos ya habían conseguido sintetizar compuestos orgánicos dotados de magnetismo, pero sólo en cantidades microscópicas y con señales muy débiles, lo que ponía en duda los resultados”, afirma Araújo Moreira. “Nuestro equipo consiguió fabricar cuantías macroscópicas de grafito magnético, que aunque son muy pequeñas, pueden verse a simple vista. Asimismo, este nuevo material es dotado de ferromagnetismo, una propiedad que le asegura una magnetización permanente y la capacidad de atraer metales. Otra prueba de ello es que es fuertemente atraído por un imán ubicado a alrededor de 10 centímetros de distancia”, dice Araújo.

El ferromagnetismo del grafito elaborado por los investigadores de la UFSCar y de la Udelar tiene también la ventaja de mantenerse estable a temperatura ambiente. Esto es importante, pues todos los magnetos obtenidos con base en carbono en el pasado sólo presentan ferromagnetismo a bajísimas temperaturas, cercanas al cero absoluto (-273°C), lo que limitaba su campo de aplicación. El material descubierto por los equipos de los docentes Mombrú y Araújo-Moreira es estable con el correr del tiempo, pues contiene una señal magnética que no sufre degradación en el transcurso de meses. La muestra de 0,5 milímetro cuadrado producida por los investigadores en mayo de 2004 continuaba con su magnetismo inalterable diez meses después de su sintetización. Esta propiedad es fundamental para la construcción de dispositivos y equipamientos de gran durabilidad.

Si los resultados de la investigación hecha en laboratorio tuvieran éxito también en escala industrial, el descubrimiento de un grafito con propiedades magnéticas ha de inaugurar una nueva fase en la ingeniería de materiales. Como es un material, recién descubierto, todavía no se sabe exactamente en que podrá aplicárselo. Los investigadores creen que se lo empleará en un sinnúmero de dispositivos de alta tecnología, tales como sensores, actuadores (dispositivos que se trasladan en una línea de producción de semiconductores o en mesas de análisis clínicos, por ejemplo), detectores, al margen de equipamientos de los sectores aeroespacial, químico, electrónico, de telecomunicaciones y biotecnológico. Por ser, por ahora, el único material magnético un 100% biocompatible, el grafito magnético tiene chances de utilización también en el área de medicina. “Los marcapasos y válvulas cardíacas funcionan con base en procesos magnéticos, y un material un 100% orgánico, que no causa rechazo en el organismo humano, sumado al magnetismo, permitirá hacer nuevos avances en estos aparatos”, dice Araújo Moreira. “Además, investigadores canadienses están empezando a investigar el uso del grafito magnético para el tratamiento del cáncer.”

El estudio ha tenido una buena repercusión, y se ha aceptado su publicación en el mes de marzo en la revista científica Physical Review B – Rapid Communications. “Si queda comprobado que los resultados son reproductibles y que la muestra no contiene impurezas de hierro, éste será un gran descubrimiento en el área de la ciencia de materiales”, dijo la investigadora rusa Tatiana Makarova, de la Universidad Umea, Suecia, considerada una de las más grandes científicas en el área de carbono magnético. “Las diferencias entre el carbono magnético producido por el equipo dirigido por el docente Araújo Moreira y otros materiales similares radican en la amplitud del efecto magnético del primero y en el hecho de que su método de producción es barato”, dice Tatiana.

El próximo desafío de los científicos consiste en demostrar que es posible producir carbono magnético con las mismas características – señal fuerte a temperatura ambiente y estable con el correr del tiempo – en grandes cantidades, y desarrollar un proceso industrial. En el marco de las negociaciones con la empresa Nacional de Grafite está también previsto un trabajo conjunto que se presentará ante las agencias de fomento a la investigación con el objetivo de desarrollar soportes para catalizadores elaborados con base en el carbono magnético. Estos soportes se usarían para acelerar reacciones químicas generadoras de productos químicos.

Sencillo y económico
Para fabricar el grafito magnético, el profesor Araújo Moreira y sus colegas recurrieron a un proceso inédito, diferente a todo lo que ya se había hecho hasta entonces. “Se trata de un método muy sencillo, basado en un proceso químico controlado de oxidación-reducción (redox) en la fase de vapor, que por ser económico al utilizar reactivos comerciales de bajo costo, permitirá, en el futuro, su fabricación y comercialización por parte de pequeñas empresas.”

La producción en laboratorio se lleva a cabo en un horno con atmósfera controlada, donde se colocan dos crisoles (recipientes cerámicos que soportan altas temperaturas), uno de ellos con grafito comercial en polvo y otro con un óxido de un metal, como por ejemplo, el de cobre (CuO). El horno se mantiene caliente a 1.200°C durante entre 12 y 16 horas. A esta temperatura, el óxido de cobre se descompone y se reduce a cobre metálico. El oxígeno liberado por éste provoca la oxidación controlada del grafito e introduce en su estructura pequeños defectos en forma de cavidades, que, según suponen los investigadores, son responsables de dotar de propiedades magnéticas al mineral. “En realidad, el origen del fenómeno de magnetismo en esos materiales todavía no ha sido totalmente dilucidado”, dice Araújo Moreira. El investigador apunta que los datos más recientes obtenidos por medios de simulaciones en computadora indican la aparición de un fuerte ferromagnetismo como consecuencia de la falta de átomos de carbono en la estructura atómica típica del grafito. La simulación retira un átomo del carbono, que así se vuelve magnético. En el laboratorio, probablemente, esta ausencia de átomos de carbono en la estructura del grafito se logra por medio de un ataque químico.

El descubrimiento del nuevo material es el resultado de tres años de intensas investigaciones. “Todo empezó en 2001, durante el posdoctorado del investigador uruguayo Álvaro Mombrú en el Departamento de Física de la UFSCar, bajo mi supervisión. Fue allí que nació la idea de estudiar las propiedades físicas y químicas del grafito, de lo cual derivó el descubrimiento del proceso químico que llevó a la obtención del grafito magnético”, recuerda Araújo Moreira. En aquel año, la revista de divulgación científica norteamericana Nature publicó un artículo que mostraba la posibilidad de fabricar una variante de carbono puro magnético. La tercera integrante del equipo, la química uruguaya Helena Pardo, lleva adelante actualmente su doctorado en el Instituto de Física de las Facultades de Química de la Universidad de la República de Montevideo, Uruguay, bajo la doble dirección de tesis de Araújo Moreira y Mombrú.

Caracterización detallada
Para cerciorarse de que el material producido tenía realmente características únicas, el equipo sometió a la muestra a una extensa batería de pruebas, realizadas en el Laboratorio de Semiconductores del Departamento de Física de la UFSCar, en el marco de trabajo realizado por el investigador Giovanni Zanelato, y en el Laboratorio Interdisciplinario de Electroquímica y Cerámica (Liec), con el profesor Édson Leite, de la UFSCar, contando además con la colaboración del docente Oscar Ferreira de Lima, del Laboratorio de Materiales y Bajas Temperaturas (LMBT) del Instituto de Física de la Universidad Estadual de Campinas (Unicamp). El experimento realizado en este último laboratorio, hecho con un magnetómetro Squid (Superconducting Cuantum Interference Device, o Dispositivo Superconductor de Interferencia Cuántica) midió la variación de la magnetización del material con la temperatura. Este ensayo demostró que el grafito sigue siendo magnético hasta los 80°C.

Además de los exámenes de laboratorio que demostraron la efectividad del método químico, la muestra fue sometida a un análisis químico con un espectrofotómetro de absorción atómica que verificó la pureza del material, constatando la ausencia en niveles indeseables de cualquier impureza metálica ferromagnética: de hierro, cobalto o níquel. Un examen complementario de mocroscopía electrónica de barrido confirmó la existencia de estas cavidades en el grafito, provocadas por el ataque químico. Por fin, observaciones realizadas con microscopios de fuerza atómica y de fuerza magnética mostraron, en imágenes bi y tridimensionales, la existencia de senderos magnéticos en el grafito, características de los metales ferromagnéticos, materiales que atraen metales.

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