Exploración de las Propiedades Magnéticas y Mecánicas en Nanomateriales

Propiedades Magnéticas

Temperatura de Curie (Tcurie): Temperatura a la cual un material ferromagnético pasa a ser paramagnético. Temperatura de Néel (Tneel): Temperatura a la cual un material antiferromagnético pasa a ser paramagnético. Por encima de estas temperaturas, se rompe el magnetismo creado por los espines.

Por razones energéticas, los materiales ferromagnéticos están divididos en regiones llamadas dominios magnéticos, donde todos los dipolos, debido a sus espines desapareados, se encuentran orientados en la misma dirección. Estos dominios están separados por paredes de Bloch, regiones muy pequeñas que minimizan la energía del sistema ayudando con un progresivo giro de los dipolos para orientarlos a favor del campo magnético aplicado (B).

En un material multidominio, la curva de imanación es normal. Si fuera un monodominio, se necesitaría un campo magnético suficientemente grande para voltear la imanación desde la saturación. Es difícil obtener monodominios, ya que a mayor tamaño, la posibilidad de tener paredes de Bloch aumenta. En resumen, si no existen paredes de Bloch, la remanencia y la coercitividad aumentan drásticamente. Si se reduce aún más su tamaño, estos dos parámetros se reducen a cero y se entra en el régimen superparamagnético.

Superparamagnetismo

El superparamagnetismo es un fenómeno basado en la inestabilidad térmica. Si se supone una partícula esférica en presencia de un campo magnético externo, el cambio de dirección de imanación siempre ocurre superando la energía magnética de anisotropía. Este cambio es promovido por la energía térmica, cumpliéndose la relación kT >= Kv. La energía térmica fluctuará y, por lo tanto, es posible cambiar la dirección de imanación sin someter la muestra a una energía extra. La temperatura mínima a la que tiene lugar este fenómeno se llama temperatura de bloqueo (Tbloqueo).

En una partícula paramagnética, el momento magnético de cada átomo/molécula es pequeño, pero en el superparamagnetismo, ese momento es cien a miles de veces mayor que el magnetón de Bohr. Para que exista superparamagnetismo, no debe haber interacciones dipolares; en ese caso, se tendría superferromagnetismo, que muestra características del ferromagnetismo.

La energía de anisotropía es un factor intrínseco del material, independiente del tamaño de la partícula. La estructura está asociada a las direcciones de fácil imanación, espontáneas. A T=0, la dirección de imanación se asocia al mínimo de energía, es decir, a la dirección fácil. Cuando la temperatura aumenta, la dirección fluctúa y, cuando tenga la energía suficiente para pasar el máximo, entonces la partícula será superparamagnética.

La curva de magnetización vs. campo aplicado muestra que a bajas temperaturas, se observa histéresis (no superparamagnetismo), mientras que a altas temperaturas se destruye el estado paramagnético para ser superparamagnético (supera la temperatura de Curie).

La imanación de saturación disminuye con la disminución del tamaño de la partícula. Los materiales antiferromagnéticos no muestran nivel de saturación entre 40-300K. Tampoco tienen ciclo de histéresis, lo cual es una ventaja comparado con los ferromagnéticos, pues la dirección de imanación puede ser cambiada incluso a temperaturas muy bajas.

La susceptibilidad magnética se define como el cambio de imanación en presencia de un campo magnético externo. Como la imanación depende del volumen, la susceptibilidad aumenta con el aumento del volumen. Experimentos con nanoferritas muestran una disminución de la susceptibilidad con el aumento de la frecuencia. Esto ocurre por la disminución de las interacciones dipolares a través de un recubrimiento.

Propiedades Mecánicas

La dureza y el límite elástico aumentan con la disminución del tamaño de grano, según la relación de Hall-Petch. Esta relación presenta problemas conforme disminuimos el tamaño, ya que aparecen otros mecanismos de deformación que hay que tener en cuenta.

La porosidad, que aparece al compactar el material pulverulento, reduce las propiedades resistentes, concretamente el Módulo de Young (E). Ocurre el efecto Hall-Petch inverso cuando se sobrepasa un tamaño de grano crítico y el material se ablanda.

Mecanismos de Deformación

La relación de Hall-Petch está basada en el movimiento de dislocaciones. En la nanoescala, esas dislocaciones no pueden moverse, y al estar tan cerca de la superficie, se aniquilan, mostrando una resistencia menor. Por lo tanto, a tamaños grandes se describe por el efecto Hall-Petch debido al movimiento de dislocaciones, y a tamaño nano, a través del efecto Hall-Petch inverso.

Superelasticidad: Fenómeno observado en metales puros y algunos cerámicos, depende del tamaño de grano, velocidad de deformación y temperatura. La producción exitosa de cerámicas puede originar superplasticidad, por ejemplo, zirconia con itria.

Materiales Compuestos Poliméricos (Nanocomposites)

Las propiedades de los materiales compuestos poliméricos (nanocomposites) dependen fuertemente de la naturaleza y distribución del refuerzo en la matriz. El esfuerzo mecánico se transfiere de la matriz al refuerzo, por ello este ha de tener buenas propiedades resistentes. Estos refuerzos pueden ser:

• Partículas: Ofrecen buenas propiedades, pero presentan dificultades en la sinterización y en la distribución homogénea.
• Plaquetas: Proporcionan propiedades especiales, mejoran la resistencia y reducen la inflamabilidad, con uso en la industria aeroespacial y automotriz.
• Nanotubos: Permiten una buena distribución en la matriz, ofrecen buenas propiedades, mayor módulo de Young y mayor deformación, siendo sencillos y económicos.