Los metales de tierras raras se volvieron omnipresentes en todas las tecnologías porque representaron “un gran salto” en la densidad de energía de los imanes cuando fueron descubiertos en la década de 1960, dice Matthew Kramer, científico principal del Laboratorio Nacional Ames.
Uno de los principales indicadores de las propiedades de un imán es su densidad de energía, medida en megagauss-oersteds (MGOe). Si bien los imanes de ferrita de su refrigerador probablemente tengan un MGOe de alrededor de 5, los imanes de neodimio son mucho más fuertes y alcanzan alrededor de 50 MGOe.
Los metales de tierras raras como el neodimio son actualmente un ingrediente crucial en los imanes permanentes porque pueden combinar otros metales en una disposición que ayuda a generar un fuerte campo magnético.
Los imanes permanentes producen campos magnéticos debido al giro de los electrones, pequeñas partículas cargadas en los átomos. Diferentes elementos tienen diferentes números de electrones libres que, en algunas circunstancias, pueden girar en la misma dirección, generando un campo magnético. Cuantos más electrones estén libres y giren en la misma dirección, más fuerte será el campo magnético.
El hierro tiene muchos electrones libres, pero sin una estructura global tienden a girar en diferentes direcciones, anulándose entre sí. Agregar neodimio, disprosio y otros metales de tierras raras puede ayudar a organizar los átomos de hierro de una manera que permita que sus electrones trabajen juntos, lo que da como resultado imanes potentes.
El nitruro de hierro hace lo que pocos materiales pueden hacer: organiza el hierro en una estructura que hace que los electrones giren juntos de esta manera y los mantiene alineados, sin necesidad de metales de tierras raras.
“Si se pudiera conseguir que el nitrógeno esparciera estos hierros de la manera adecuada, se podría obtener un imán permanente realmente bueno”, dice Kramer. Sin embargo, esto ha demostrado ser un desafío, añade, porque es difícil fabricar estos materiales a granel y aprovechar la química compleja de una manera que los obligue a retener su magnetización.
Idea a ejecución
Después de que Wang pudo crear de manera confiable películas delgadas de nitruro de hierro, el siguiente paso fue descubrir cómo hacerlo a granel, molerlo y aplastarlo para hacer imanes.