Nuevos conceptos cient\u00edficos est\u00e1n transformando el modo de funcionamiento de los electrodom\u00e9sticos. Primeramente fue la televisi\u00f3n, cuya imagen no se genera m\u00e1s por la mera colisi\u00f3n de electrones ultraacelerados contra una pantalla fluorescente. Los aparatos con pantallas de cristal l\u00edquido o plasma, brindan im\u00e1genes m\u00e1s n\u00edtidas mediante la acci\u00f3n de corrientes el\u00e9ctricas o de gases, que originan se\u00f1ales luminosas; aunque a un precio equivalente al de un autom\u00f3vil: de 20 mil a 80 mil reales. Los pr\u00f3ximos aparatos que pasar\u00e1n por una metamorfosis similar ser\u00e1n las heladeras: la pr\u00f3xima generaci\u00f3n de estos electrodom\u00e9sticos no funcionar\u00e1 mediante la expansi\u00f3n y la contracci\u00f3n de un gas que extrae calor del aire al circular por los tubos de las paredes del refrigerador, sino por la acci\u00f3n de campos magn\u00e9ticos, que cumplir\u00e1n la misma tarea con mayor eficiencia y menor p\u00e9rdida de energ\u00eda.<\/p>\n
En los prototipos de m\u00e1quinas frigor\u00edficas magn\u00e9ticas ?que se encuentran en fase de desarrollo en algunos pa\u00edses como Estados Unidos, Jap\u00f3n 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 usar\u00e1 provisoriamente: para los nuevos refrigeradores, se buscan materiales capaces de enfriar o calentar con mayor eficiencia cuando se los someta a la acci\u00f3n un campo magn\u00e9tico. Recientes descubrimientos realizados en Campinas demuestran que pueden efectivamente existir alternativas con mayor capacidad de refrigeraci\u00f3n.<\/p>\n
F\u00edsicos de la Universidad Estadual de Campinas (Unicamp) y de la Universidad del Estado de R\u00edo de Janeiro (Uerj) verificaron que un compuesto formado por manganeso y ars\u00e9nico, somentido a alta presi\u00f3n tiene una capacidad de extraer calor del ambiente 20 veces mayor que la del gadolinio a la presi\u00f3n ambiente de una atm\u00f3sfera, la misma bajo la cual vivimos sobre la superficie del planeta. Es un hallazgo cient\u00edfico relevante, pese a que por ahora, est\u00e1 lejos de tener aplicaci\u00f3n. La alta presi\u00f3n a que debe someterse este compuesto de manganeso y ars\u00e9nico el MnAs para arribar a ese resultado es tan s\u00f3lo una de las limitaciones que impiden que esa propiedad se emplee de inmediato en los prototipos de frigor\u00edfico magn\u00e9tico.<\/p>\n
Pero puede salir de all\u00ed algo nuevo, incluso en t\u00e9rminos pr\u00e1cticos, porque esta capacidad tan intensa de absorber calor a la que los f\u00edsicos de la Unicamp denominan efecto magnetocal\u00f3rico colosal? no hab\u00eda sido observada antes en ning\u00fan otro material. Este descubrimiento abre un campo de investigaci\u00f3n de otros compuestos que presenten el efecto colosal y logren extraer mucho m\u00e1s energ\u00eda de la regi\u00f3n que debe enfriarse, sin las limitaciones del arseniuro de manganeso (MnAs), comenta el f\u00edsico S\u00e9rgio Gama, investigador de la Unicamp y coordinador de este estudio, relatado en la edici\u00f3n de 3 de diciembre de Physical Review Letters.<\/p>\n
En ese mismo art\u00edculo, Gama tambi\u00e9n sugiere una explicaci\u00f3n para el efecto colosal. Tal como \u00e9l y su equipo verificaron experimentalmente, el manganeso-ars\u00e9nico enfr\u00eda por medio de tres efectos asociados (vea en la ilustraci\u00f3n). El primero es el mecanismo m\u00e1s com\u00fan de los materiales de este tipo: el desalineado de los spins de los electrones. El spin es una propiedad magn\u00e9tica de las part\u00edculas at\u00f3micas elementales, con direcci\u00f3n y sentido, como el campo magn\u00e9tico de la Tierra. La orientaci\u00f3n del spin de una part\u00edcula puede verse afectada por un campo magn\u00e9tico externo o por los spins de las part\u00edculas 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 refrigeraci\u00f3n m\u00e1s eficiente. El segundo mecanismo que explica el efecto colosal es la transformaci\u00f3n de la propia estructura at\u00f3mica la red cristalina del MnAs. Finalmente, el tercero y m\u00e1s importante artificio del MnAs para absorber la energ\u00eda resulta de la interacci\u00f3n de la red cristalina con el campo magn\u00e9tico, que se expresa por medio de la deformaci\u00f3n del material.<\/p>\n
Hasta ahora, el efecto magnetocal\u00f3rico Por medio del alineamiento de spins, un trozo de gadolinio se calienta 4\u00b0C cuando se lo introduce en un ambiente aislado t\u00e9rmicamente, al cual se le aplica un campo magn\u00e9tico de 1,5 Tesla, alrededor de 30 mil veces mayor que el campo magn\u00e9tico terrestre. Como el efecto es reversible, al retir\u00e1rselo del campo, el gadolinio se enfr\u00eda los mismos 4\u00b0C. Parece poco para mantener una cerveza helada, \u00bfcierto? Pero sucede que la construcci\u00f3n de los refrigeradores magn\u00e9ticos prev\u00e9 el uso de intercambiadores de calor especiales, denominados regeneradores, que ampl\u00edan esta variaci\u00f3n de temperatura. Para ser comercialmente viable, la refrigeraci\u00f3n magn\u00e9tica depende tambi\u00e9n de nuevos arreglos geom\u00e9tricos de imanes permanentes como los empleados en el lector de disco r\u00edgido de la computadora, o en los motores que mueven el limpiaparabrisas de los autom\u00f3viles para que se formen campos magn\u00e9ticos intensos y de bajo costo.<\/p>\n Con el gadolinio, la capacidad de absorber o ceder calor es de origen puramente magn\u00e9tico: resulta principalmente del alineamiento de los spins. As\u00ed sucede tambi\u00e9n con otros materiales con efecto magnetocal\u00f3rico cl\u00e1sico, el m\u00e1s tenue en esta categor\u00eda. Tambi\u00e9n el mecanismo b\u00e1sico por el cual funcionan los materiales que exhiben el otro efecto conocido hasta ahora, el llamado efecto magnetocal\u00f3rico gigante, evidentemente m\u00e1s intenso que el cl\u00e1sico, pero inferior al colosal. Algunas aleaciones que exhiben ese efecto gigante como la llamada 5:2:2, formada por cinco \u00e1tomos de gadolinio, dos de germanio y dos de silicio cuentan tambi\u00e9n con otro artificio: absorben una cantidad de energ\u00eda, el llamado calor latente, mientras que su temperatura permanece constante. Es el mismo fen\u00f3meno que se verifica eb un bloque de hielo que se est\u00e1 derritiendo: el hielo absorbe calor, que se emplea en su transformaci\u00f3n al estado l\u00edquido; su temperatura se estaciona al llegar a\u00a0 0\u00b0C y reci\u00e9n vuelve a subir despu\u00e9s de que todo el hielo se ha derretido.<\/p>\n Deformaci\u00f3n Pese a estar dotado de estas propiedades, el MnAs no es un material conveniente para aplicaciones, pues una de sus caracter\u00edsticas genera un problema insuperable: aun a presi\u00f3n 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 at\u00f3mico se modifica al llegar a los 43\u00b0C en este punto se da la llamada transici\u00f3n magn\u00e9tica y estructural. Pero el MnAs solamente vuelve a su estado inicial, con los spins alineados y con la estructura hexagonal a una temperatura muy m\u00e1s baja, de 35\u00b0C. Es como si el agua se convirtiera en vapor a 100\u00b0C y, al enfri\u00e1rsela, solamente volviera al estado l\u00edquido a 80\u00b0C. Si el MnAs se usara en una m\u00e1quina frigor\u00edfica, ser\u00eda necesaria una energ\u00eda extra para hacer que el ciclo de refrigeraci\u00f3n se cierre y otro ciclo recomience algo bastante ineficiente.<\/p>\n Los ciclos de refrigeraci\u00f3n deben comenzar y terminar a la misma temperatura o con una variaci\u00f3n m\u00ednima, para de este modo reducir las p\u00e9rdidas de eficiencia, comenta Gama. Para complicar la cosa, cuando se somete al MnAs a altas presiones, esta diferencia de temperatura aumenta m\u00e1s a\u00fan: llega a 32\u00b0C. En busca de alternativas, el grupo de la Unicamp descubri\u00f3, en estudios de otros grupos, que la diferencia de temperatura entre el comienzo y el final del ciclo, la llamada hist\u00e9resis, es cercana a cero a presi\u00f3n ambiente cuando se reemplaza una peque\u00f1a parte (el 5%) del ars\u00e9nico por antimonio. Los compuestos con mayor cantidad de antimonio parecen ser prometedores, dice el coordinador del grupo de la Unicamp, aunque todav\u00eda se observa hist\u00e9resis bajo presi\u00f3n.<\/p>\n C\u00e9lula brasile\u00f1a La c\u00e9lula brasile\u00f1a, que estaba lista dos meses despu\u00e9s del congreso en Italia, es un cilindro de cobre-berilio de 10 cent\u00edmetros de longitud por 8 mil\u00edmetros de di\u00e1metro, con dos pistones sujetos con dos tornillos. Los pistones presionan a una c\u00e1psula con una muestra de manganeso-ars\u00e9nico de entre 1 y 2 mil\u00edmetros, inmersa en aceite mineral. Este cilindro se coloca dentro de un aparato llamado magnet\u00f3metro con un sensor superconductor por interferencia cu\u00e1ntica (tipo Squid, por su sigla en ingl\u00e9s), que mide el magnetismo del material que se desea estudiar, ubicado dentro de una c\u00e1psula de tefl\u00f3n. Con este aparato, el equipo de Gama puedo entonces medir el efecto magnetocal\u00f3rico bajo presi\u00f3n, que a la \u00e9poca a\u00fan no hab\u00eda sido descrito.<\/p>\n El primer material que se midi\u00f3 bajo presi\u00f3n fue justamente el manganeso ars\u00e9nico, ya estudiado por los f\u00edsicos de la Unicamp debido a que presentaba dos efectos gigantes: el magnetocal\u00f3rico y el magnetoel\u00e1stico. Y Gama no fue el primero en reportar el efecto magnetocal\u00f3rico bajo presi\u00f3n pura y exclusivamente porque un grupo espa\u00f1ol, de la Universidad de Zaragoza, junto con otro, de Praga, Rep\u00fablica Checa, public\u00f3 antes, tambi\u00e9n 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.<\/p>\n El Proyecto
\n<\/strong>La capacidad de un material magn\u00e9tico de absorber o liberar calor cuando se lo somete a un campo magn\u00e9tico se explicaba esencialmente por medio del alineamiento o desalineamiento de los spins, sin que los cambios en la red de los \u00e1tomos tuvieran mucha importancia. Cuando se lo somete a un campo magn\u00e9tico, en un ambiente t\u00e9rmicamente aislado, los spins de los electrones se alinean en un solo sentido, abdicando as\u00ed del habitual pandemonio en que viven. Este ordenamiento redunda en una disminuci\u00f3n de la entrop\u00eda o desorden de un sistema f\u00edsico. Como no hay intercambio de calor con el ambiente, la entrop\u00eda total debe ser constante: como consecuencia de ello, los \u00e1tomos o mol\u00e9culas del material sometido al campo se desorganizan de manera tal de compensar el alineamiento de los spins. A mayor desorden, mayor agitaci\u00f3n at\u00f3mica y as\u00ed, la temperatura del material se eleva.<\/p>\n
\n<\/strong>Gama demostr\u00f3 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 \u00e1tomos del material, al que los f\u00edsicos denominan red cristalina, contribuye de manera decisiva para explicar esta notable capacidad de extraer calor del ambiente: al somet\u00e9rselo a la presi\u00f3n y a un campo magn\u00e9tico, el manganeso-ars\u00e9nico tambi\u00e9n se deforma, provocando el efecto colosal, que es siete veces mayor que el efecto gigante. Otros materiales tambi\u00e9n exhiben esta propiedad, llamada efecto magnetoel\u00e1stico, que normalmente genera su deformaci\u00f3n. Pero en el MnAs es notable: se contrae un 3%. Es un valor extremadamente alto, dice Gama, ya que la deformaci\u00f3n de otros materiales es decenas o centenares de veces menor.<\/p>\n
\n<\/strong>Gama trabaja con materiales magnetocal\u00f3ricos desde 2000, pero empez\u00f3 a estudiar el comportamiento de materiales bajo presi\u00f3n 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 all\u00ed que llegaron a un dispositivo del tama\u00f1o de un bol\u00edgrafo una c\u00e9lula de presi\u00f3n, producido, como despu\u00e9s descubrieron, por un carioca que hab\u00eda abierto una empresa en Cambridge, Inglaterra. Como su precio era alto alrededor de 20 mil d\u00f3lares, los f\u00edsicos de la Unicamp resolvieron construir una c\u00e9lula similar en Brasil. Hicieron un proyecto propio y llegaron a buen puerto, aprovechando la habilidad de los t\u00e9cnicos del Instituto de F\u00edsica. Construyeron tres c\u00e9lulas, utilizadas por otros grupos de investigaci\u00f3n del pa\u00eds. Cada una de ellas cost\u00f3 menos de 3 mil reales en materiales.<\/p>\n
\n<\/strong>Estudio del efecto magnetocal\u00f3rico en compuestos intermet\u00e1licos
\nModalidad
\n<\/em><\/strong>Proyecto Tem\u00e1tico
\nCoordinador
\n<\/em><\/strong>S\u00e9rgio Gama – Unicamp
\nInversi\u00f3n
\n<\/strong><\/em>R$ 2.285.714,11 (FAPESP)<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"Un equipo de cient\u00edficos de la Unicamp descubre inesperadas propiedades en materiales magn\u00e9ticos","protected":false},"author":17,"featured_media":0,"comment_status":"closed","ping_status":"closed","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"_acf_changed":false,"_exactmetrics_skip_tracking":false,"_exactmetrics_sitenote_active":false,"_exactmetrics_sitenote_note":"","_exactmetrics_sitenote_category":0,"footnotes":""},"categories":[181],"tags":[],"coauthors":[5968],"class_list":["post-79538","post","type-post","status-publish","format-standard","hentry","category-ciencia-es"],"acf":[],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/79538","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/users\/17"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=79538"}],"version-history":[{"count":0,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/79538\/revisions"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=79538"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=79538"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=79538"},{"taxonomy":"author","embeddable":true,"href":"https:\/\/revistapesquisa.fapesp.br\/es\/wp-json\/wp\/v2\/coauthors?post=79538"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}