Ciencia de materiales: La atracción de los nuevos imanes

Ciencia de materiales: La atracción de los nuevos imanes

Los imanes de gran potencia mejorarían las prestaciones de los coches eléctricos y de otras tecnologías verdes. ¿Por qué son tan difíciles de fabricar?
Nicola Jones
Nature 2011; 472: 22-23

Por Navidad, al investigador experto en magnetismo William McCallum le regalaron uno de los juguetes más de moda: las “Buckyballs”, un conjunto de pequeñas bolas imantadas con las que se pueden formar diferentes figuras. Los imanes son de última tecnología, tan potentes que si fueran cubos en lugar de esferas no se podrían separar. Ahora bien, si McCallum se sale con la suya, su equipo hará que esas bolitas queden a la altura del betún.

McCallum, experto en ciencias materiales de la Universidad Estatal de Iowa, situada en Ames (EE. UU.), se enfrenta a la vez a dos grandes problemas: la fuerza y el coste de los imanes. Durante la mayor parte del siglo xx, la fuerza de los imanes disponibles se fue duplicando cada 10 o 20 años, pero este crecimiento se estancó en la década de los noventa. Como consecuencia de este parón, se ha vuelto más difícil aumentar el rendimiento de los productos de tecnología punta, tales como los coches eléctricos. Además, el precio de las tierras raras, elementos esenciales para producir imanes potentes, se ha disparado a lo largo de los dos últimos años. Sólo en 2010, el precio del óxido de neodimio pasó de 12 a 85 euros el kilogramo.

En realidad, las tierras raras como el neodimio no son, a pesar de su nombre, poco comunes en un sentido geológico, pero sí son difíciles de extraer y de procesar. China, proveedora del 95% de las 96.000 toneladas producidas cada año en todo el mundo, ha fijado unas restricciones cada vez mayores para su exportación, aun cuando la demanda de dichos elementos está subiendo drásticamente. Los imanes fabricados con tierras raras constituyen el núcleo de la tecnología moderna, desde los teléfonos móviles hasta los ordenadores portátiles, pasando por las lavadoras de bajo consumo. Además, muchos de los dispositivos que forman parte de la economía verde necesitan cantidades sustanciales de ellas: un coche eléctrico, por ejemplo, lleva varios kilogramos de tierras raras, mientras que una turbina eólica de 3 megavatios requiere alrededor de 1,5 toneladas. Según Gareth Hatch, fundador de la empresa consultora Technology Metals Research, con sede en Carpentersville (Illinois, EE. UU.), la demanda creció desde 30.000 toneladas en los ochenta hasta 120.000 en 2010 (para cubrir parte de ella, fue necesario agotar las reservas nacionales) y se prevé que llegue hasta las 200.000 en 2015 (véase la imagen “Las fuerzas del mercado”).

Por suerte, la idea más prometedora sobre cómo fabricar los imanes de “nueva generación” podría resolver los dos problemas al mismo tiempo. Se trata de combinar las nanopartículas de los imanes basados en tierras raras con las nanopartículas de materiales magnéticos más económicos, para dar lugar a productos finales de gran potencia con mucha menos cantidad de ingredientes costosos. Los gobiernos interesados en invertir en tecnologías de bajo consumo, azuzados por la crisis mundial en el mercado de las tierras raras, han comenzado a prestar atención a la investigación en este campo.

En Estados Unidos se ha invertido una gran cantidad de fondos procedentes del Departamento de Energía, al que pertenece la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada sobre la Energía (ARPA-E), fundada en 2009 con el objetivo de implantar en el mercado tecnologías de alto riesgo con potencial “transformador”. La ARPA-E ha destinado más de 4,5 millones de euros para investigar en imanes de nueva generación, lo que ha supuesto una inyección para la investigación en el campo. Según George Hadjipanayis, físico de la Universidad of Delaware en Newark (EE. UU.), responsable de un consorcio de la ARPA-E, del que forma parte McCallum y que cuenta con un presupuesto de tres millones de euros, “ya era hora, es necesario hacerlo”.

Los imanes permanentes obtienen su poder de atracción de las órbitas y del momento angular (espín) de los electrones desapareados, que tienden a alinearse con un campo magnético externo y permanecer así hasta que dicho campo desaparece. Los imanes se clasifican según su “producto de energía”, medido en kilojulios por metro cúbico (kJm−3), una combinación de dos factores: en qué medida responden a un cierto campo magnético aplicado (su magnetización o imantación) y cómo resisten la desmagnetización o desimantación. Ambas propiedades no siempre van de la mano. La aleación de hierro-cobalto posee la mayor capacidad de magnetización conocida, pero su producto de energía es prácticamente cero porque se desmagnetiza fácilmente. Esto se debe a su estructura cristalina simétrica en forma de cubo, con electrones cuyo espín puede apuntar en cualquier dirección, de forma que su alineación se puede romper como consecuencia de un golpe o de un campo magnético cercano.

Espines alineados
Los materiales magnéticos más nuevos poseen una compleja estructura cristalina que ayuda a que los espines se mantengan alineados. En la década de los cincuenta, el mejor de dichos imanes, fabricado mediante una aleación de hierro, aluminio, níquel y cobalto, y denominado Alnico, alcanzó un producto de energía de 40 kJm−3 (véase la figura “Progreso estancado”). En los sesenta llegó la primera generación de imanes fabricados con tierras raras, compuestos por samario y cobalto, con los que se alcanzó un producto de energía de 250 kJm−3. Dos décadas más tarde, los investigadores diseñaron imanes de neodimio-hierro-boro (NdFeB), que poseen el récord, con 470 kJm−3. Cuando los imanes deben funcionar a altas temperaturas como, por ejemplo, en el motor de un coche, la mezcla se completa con una la tierra rara denominada disprosio.

El sueño es unir la atracción magnética de aleaciones como el hierro-cobalto con la estabilidad de un imán de NdFeB, por ejemplo. Conseguirlo debería ser posible combinando nanopartículas de los dos, colocándolas tan cercanas que los electrones adyacentes interactúen entre ellos y sus espines permanezcan alineados. En teoría, los nanocompuestos podrían alcanzar un producto de energía escalofriante, de 960 kJm−3 y las tierras raras constituirían sólo el 5% de su peso, en lugar del 27% que suponen en un imán de NdFeB. Sin embargo, fabricar un compuesto de estas características es muy complicado.

Los granos de un buen nanocompuesto deben ser pequeños (10 nanómetros como máximo), tener la estructura cristalina adecuada, poseer direcciones magnéticas alineadas y ser muy compactos. Reunir todas estas condiciones simultáneamente supone una pesadilla para los ingenieros. Además, las nanopartículas formadas con tierras raras no son estables, ya que poseen una gran tendencia a reaccionar con el oxígeno, que destruye todas sus propiedades magnéticas.

En 2006, un equipo liderado por Ping Liu, físico de la Universidad de Texas en Arlington (EE. UU.), creó un método pionero que utilizaba bolas de acero para moler material magnético con la estructura cristalina deseada en una solución con distintos detergentes. “A los doctores que trabajaron conmigo en este método les llevó años conseguir una publicación —confesó Liu—. Me odiaban”. El jabón permite al equipo producir nanogranos que no se pegan unos a otros pero que sí mantienen sus propiedades magnéticas. Hadjipanayis utiliza la misma técnica y afirma haber creado granos de hasta 2,7 nanómetros.

Aún más difícil es producir un imán de mayor tamaño a partir de estos granos. Una técnica estándar que consiste en juntar los granos y calentarlos a una temperatura de 800-1.000 ºC hace que se mezclen unos con otros y se hagan demasiado grandes para crear el efecto cooperativo de los nanocompuestos. Otro método, que utiliza pegamentos de polímeros para unir los granos, diluye el material magnético.

Sin embargo, hay alternativas. Hadjipanayis planea cargar un conjunto de nanopartículas positivamente y el resto negativamente, de forma que la atracción electrostática las mantenga unidas. El grupo de Liu introduce alrededor de medio gramo de los nanogranos en una prensa durante 30 minutos en lugar de los 30 segundos habituales. Además, añade el calor suficiente (cerca de 500 ºC) para ayudar a que se deformen sin que se echen a perder. Mediante este método, Liu ha conseguido crear imanes relativamente fuertes y densos, pero los granos no están alineados magnéticamente, por los que los imanes siguen siendo más débiles que un NdFeB estándar.

La alineación es el último escollo. El grupo de Liu está intentando superarlo sometiendo al material a un segundo proceso de compactación lenta, aunque los resultados obtenidos hasta ahora son mejorables. Los investigadores están cambiando algunos detalles, en busca de una receta que funcione. “Espero que se pueda conseguir antes de jubilarme”, comentó Liu.

Competencia de las empresas
Puede que antes de que llegue esa fecha, Liu sea derrotado por sus competidores. La empresa tecnológica General Electric, con sede en Fairfield (Connecticut, EE. UU.), ha recibido una ayuda de 1,5 millones de euros de la ARPA-E para investigar sobre nanocompuestos, lo que le ha permitido reforzar el equipo dedicado a ello. La empresa, que empezó a realizar sus experimentos en enero, manifestó a Nature que dispone de un buen método para fabricar granos cristalinos, aunque declinó dar más detalles.

El diciembre pasado, el Departamento de Energía de Estados Unidos publicó su Estrategia para los Materiales Críticos, en la que se presentan tres líneas de trabajo para afrontar la escasez de tierras raras: asegurar nuevas provisiones, fomentar el reciclaje e investigar sobre las alternativas, como los imanes de nueva generación. En opinión de Liu, este reciente impulso a los imanes más potentes es un cambio positivo, del que se pueden obtener grandes dividendos. De acuerdo con sus cálculos, doblar la fuerza de un imán en un coche eléctrico aumentaría el rendimiento del motor cerca de un 70%, aunque esta cifra puede sufrir grandes variaciones en función del diseño del imán y el motor.

Según Liu, aunque parece que el mayor impulso a la creación de imanes más potentes se está dando en Estados Unidos, otros países han invertido más dinero en la investigación general sobre magnetismo. En el plan económico de China para los años 2011-2015 se contempla un gran aumento del gasto —se habla de más de 500 mil millones de euros— en siete “sectores emergentes estratégicos”, entre ellos, los sistemas de energía, los coches ecológicos y los nuevos materiales. Los expertos como Hatch y Liu creen que dicha inversión traerá muy buenos resultados. Japón, por su parte, ha realizado grandes inversiones en la investigación sobre imanes, dentro del sector de últimas tecnologías, y cuenta con una fuerte colaboración entre las empresas privadas y las instituciones públicas, aunque uno de sus principales centros de investigación sobre magnetismo es la Universidad de Tohoku, en Sendai, gravemente afectada por el terremoto y el tsunami ocurridos en marzo.

El año pasado, el marco para la financiación de la investigación de la Unión Europea abrió una convocatoria de 4 millones de euros dirigida a grupos dedicados al desarrollo de nuevos materiales, con el fin de reemplazar por completo las tierras raras. Sin embargo, la mayoría de los investigadores cree que este objetivo es demasiado ambicioso. En opinión de Liu, tratar de fabricar imanes potentes sin tierras raras es “un chiste desde un punto de vista científico”. Según Dominique Givord, investigador del laboratorio Louis Néel, situado en Grenoble (Francia), se han rechazado las propuestas de varios laboratorios muy importantes porque trataban simplemente de reducir la cantidad de tierras raras utilizadas en los imanes.

El objetivo de los investigadores de crear imanes nanocompuestos de nueva generación es, en opinión de la mayoría, muy complicado. “Sé que esta línea de trabajo es cada vez más popular en Estados Unidos, pero creo que su meta es demasiado ambiciosa”, afirmó Kazuhiro Hono, investigador del Instituto Nacional de Ciencias Materiales en Tsukuba (Japón). Givord se mostró de acuerdo. En sus palabras, “se trata de un desafío extraordinario”. Según él, son más realistas los intentos de modificar las microestructuras de los imanes actuales para hacerlos un poco más potentes y económicos. En Japón, el trabajo en esta línea ha ayudado a reducir la demanda de disprosio.

Sin embargo, Hatch, que trabaja en este campo desde hace casi dos décadas, cree que merece la pena apostar por los imanes de nueva generación. “Sí, se trata de un proyecto ambicioso, pero ése es precisamente el motivo por el que debemos aceptar el reto —afirmó—. Es el momento de invertir en ello.”