En los imanes pequeños los más pequeños, los de oro
2008/12/01 Kortabitarte Egiguren, Irati - Elhuyar Zientzia Iturria: Elhuyar aldizkaria
Han conseguido convertir un elemento no magnético en magnético. Sin embargo, el descubrimiento va más allá de la conversión de elementos no magnéticos en magnéticos. De hecho, se han encontrado estas características magnéticas cuando son menores que las partículas más pequeñas de los elementos magnéticos tradicionales. De hecho, se puede decir que son los imanes más pequeños que se han conseguido. Por otro lado, normalmente estas características se dan a bajas temperaturas. En este caso, también han observado que se producen a temperaturas muy superiores a la ambiente.
Este trabajo abre las puertas a nuevas aplicaciones. Estas partículas magnéticas se pueden utilizar tanto en memorias magnéticas como en medicina. En medicina tendrían dos aplicaciones principales: por un lado, se utilizarían como impulsores de contrastes en resonancias magnéticas y, por otro, como transportadores de medicamentos hacia determinados puntos como los tumores. Es decir, los medicamentos sólo se destinarían a células cancerígenas, sin causar ningún daño a las células sanas. De hecho, los tratamientos actuales son muy agresivos para el organismo.
Pequeño es 'diferente'
Se dice que lo pequeño es 'diferente', y en el caso del oro ocurre lo mismo. Es decir, no basta con observar el comportamiento de los sistemas físicos a grandes escalas para predecir lo que puede ocurrir en niveles de pocos átomos. "La disminución del tamaño de los elementos alteran notablemente sus características magnéticas. Las características magnéticas dependen de la estructura electrónica del material y los cambios se producen a medida que nos acercamos a la escala nanométrica", explica José Javier Saiz Garitaonandia, físico de la Facultad de Ciencia y Tecnología de la UPV.
Investigadores de la UPV-EHU e internacionales han descubierto que las nanopartículas de oro son magnéticas a temperatura ambiente y rodeadas de moléculas orgánicas. Por ejemplo, al rodearse de tiol (moléculas de carbono, hidrógeno y azufre), las nanopartículas de oro se convierten en ferromagnéticas, aunque los tioles son diamagnéticos como los átomos de oro.
Cuando las nanopartículas de oro se rodean de tiol, los átomos de azufre y de oro forman un enlace covalente. En este sólido enlace se produce una pequeña transferencia de carga del átomo de oro al de azufre, por lo que la última capa electrónica del átomo de oro no aparece llena. Esto provoca un pequeño momento magnético cada vez que un átomo de oro se une a un átomo de azufre.
Una partícula de oro de radio de un centímetro se rodea de tiol. Uno de los cien millones de átomos de la superficie de esta partícula sería magnético. En el caso de las nanopartículas, la mitad de los átomos serían magnéticos.
Sin embargo, algunos grupos de investigación que lo conocían, como el científico Antonio Hernando, entrevistado en la revista en noviembre del año pasado, y su equipo del Instituto de Magnetismo Aplicado de Madrid. Pero el origen de este sorprendente comportamiento era desconocido. A menudo este magnetismo se asocia a impurezas. Es decir, se cree que las impurezas suelen ser las responsables de este magnetismo del oro. En esta ocasión, el equipo de investigadores de la Facultad de Ciencia y Tecnología de la UPV y el equipo de investigadores japoneses y australianos han conseguido conocer el origen del magnetismo del oro.
Para ello han utilizado técnicas complejas, tanto en Australia como en Japón, que sólo analizan el elemento que se quiere investigar. Son técnicas nucleares y basadas en acelerantes de partículas.
De Australia a Japón
Por un lado, han utilizado la técnica nuclear Mössbauer. La investigación de las propiedades magnéticas de los materiales es una de las aplicaciones más comunes de la espectroscopía Mössbauer. Sólo cinco o seis laboratorios en el mundo cuentan con esta técnica avanzada, uno en Australia, al que acudieron investigadores de la UPV. "En la Facultad de Ciencia y Tecnología tenemos el espectrómetro Mössbauer, pero está optimizado para el hierro y da problemas en el caso del oro", explica Saiz Garitaonandia.
Mössbauer es una técnica de alta definición. Las interacciones eléctricas y magnéticas en las que intervienen los núcleos atómicos se denominan interacciones hiperfinas. En la espectroscopía Mössbauer es muy fácil observar estas interacciones. Muchos de los compuestos magnéticos se pueden obtener de estos parámetros hiperfinos.
En la técnica nuclear de Mössbauer, la fuente radiactiva suele ser otro elemento. "Primero activamos la fuente radiactiva (en este caso platino 197) en un reactor nuclear de Sydney. Esta fuente radiactiva emite neutrones y el platino se convierte en oro 197. Nada más conseguirlo, teníamos que coger el avión y pasar de Sydney a Melbourne. De hecho, el espectrómetro de Melbourne teníamos preparado para introducir la fuente radiactiva. Trabajamos contra el reloj", explica Saiz Garitaonandia.
En este experimento se ve cuántos átomos son magnéticos y cuántos no. Cada átomo emite una señal. Investigadores de la UPV-EHU descubrieron que sólo los átomos que se encuentran en la superficie de la partícula son magnéticos. Es lógico. De hecho, los átomos de la superficie se unen mayoritariamente a moléculas orgánicas, como los tioles.
Por otro lado, la técnica basada en aceleradores de partículas se llevó a cabo en el sincotrón japonés Spring 8. Actualmente es el sincotrón más energético del mundo, trabaja a 8 GeV. En un sincotrón hay varias líneas de investigación. Cada línea trabaja en un cierto rango de energía. Por lo tanto, es necesario conocer de antemano si el experimento que cada uno desea investigar puede llevarse a cabo en alguno de estos intervalos energéticos. "En el caso del oro queríamos estudiar la transición del electrón 5d, y vimos que eso era posible en Japón; --ha subrayado la química Eider Goikolea - adaptamos toda la óptica y comenzamos a experimentar". A pesar de ello, los investigadores de la UPV observaron que el electrón 5d del átomo de oro era magnético.
Estas dos técnicas han demostrado por primera vez, sin duda, la presencia de magnetismo en los átomos de oro, aunque en cualquier otra condición no sean propiamente magnéticos. Además del oro, este comportamiento se ha encontrado en nanopartículas de plata y cobre de 2 nm.
La aportación de todo este trabajo se incorporará a la tesis doctoral de la química Eider Goikolea Nuñez. Esta tesis está dirigida por los profesores Jose Javier Saiz Garitaonandia y Maite Insausti Peña.
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