Científicos de la BUAP publicaron un artículo en la revista Inorganic Chemistry con la respuesta a una incógnita entre investigadores del área: ¿Las propiedades magnéticas de la ferrita de bismuto, muy útil para la fabricación de dispositivos de almacenamiento basados en estas características, se deben al material o a las impurezas originadas durante su elaboración? Ahora se sabe que son por el material en sí. Sin embargo, ese mismo reporte aclara que esas propiedades no son tan altas como otros trabajos sugieren.

El artículo de José Luis Ortiz Quiñonez, Martín Salazar Villanueva -de la Fascultad de Ingeniería-, y Umapada Pal, del Instituto de Física “Ing. Luis Rivera Terrazas”, publicado en uno de los journals más exigentes y prestigiosos de su área, además de esclarecer el origen de las propiedades magnéticas de la ferrita de bismuto y sus valores, ofrece una metodología para obtener un material más o menos puro, según su aplicación.

 “Si alguien puede almacenar información con esa magnitud tan baja, estaría bien. Pero con esos valores de magnetización, creo que el material no es adecuado”, afirmó José Luis Ortiz Quiñonez, quien realiza una estancia posdoctoral en la Facultad de Ingeniería de la BUAP y es uno de los autores del artículo, al igual que Martín Salazar Villanueva, de esta unidad académica, y Umapada Pal, del Instituto de Física “Ing. Luis Rivera Terrazas”.

El trabajo en cuestión también describe una metodología para fabricar este material, con diferentes grados de pureza, ya que de estas dependen sus propiedades y posibles usos. Por todo ello, los investigadores esperan el interés de la comunidad, sobre todo de China y México, el primer y segundo productor de bismuto, respectivamente. “Este proyecto trata de dar un valor agregado al material”, comentó Ortiz Quiñonez.

Este compuesto inorgánico, que se compone de bismuto, hierro y oxígeno, es un óxido semiconductor interesante por sus propiedades ferroeléctricas y magnéticas. Algunos trabajos han reportado también propiedades catalíticas en la degradación de algunos compuestos y en la síntesis de algunas moléculas orgánicas. En otras palabras, las características de la ferrita de bismuto podrían incidir en el avance de la ciencia, pero antes hay que ofrecer mejoras en los métodos de síntesis.

Es posible que este material en forma de película delgada pueda almacenar información por medios magnéticos o ferroeléctricos, por lo que está dirigido a dispositivos que funcionan mediante dichas propiedades físicas. Este tipo de tecnología normalmente aprovecha por separado o las propiedades ferromagnéticas o las propiedades ferroeléctricas.

La ventaja de ferrita de bismuto es que podría disponer de ambas, al mismo tiempo y a temperatura ambiente. De aquí nació el debate: si todas sus propiedades corresponden al material o se deben a unas pequeñas impurezas que se forman durante su síntesis.

De paper en paper, la ciencia avanza

El equipo de científicos de la BUAP celebra que su trabajo se haya publicado en Inorganic Chemistry, que pertenece a la American Chemical Society, la asociación científica más grande del área. Este journal tiene un factor de impacto -de 4.857- que supera la media de las publicaciones en Química Inorgánica, lo que da indicio de la calidad y el nivel de aceptación de sus textos, los cuales, según Ortiz Quiñonez, permiten a la ciencia del área avanzar.

El investigador detalló la contribución de su trabajo en el área de catálisis: un proceso muy común en la experimentación que consiste en usar un material, llamado catalizador, para aumentar la velocidad de una reacción química: “Si se requiere usar ferrita de bismuto como catalizador, debe ser lo más pura y cristalina posible, para que los resultados que se obtengan correspondan al material, y no a impurezas o material amorfo”.

Para preparar ferrita de bismuto por el método “combustión en solución”, hay dos tipos de reacciones o procesos químicos: uno de estos es la reacción de reducción-oxidación, también llamada reacción redox. El otro es el tratamiento térmico, o sea, subir su temperatura de la muestra en una mufla, que es una especie de horno pequeño.

La publicación propone que mediante la modificación de las proporciones de los precursores usados para producir el material, es posible obtener diferentes grados de pureza. Con cada proporción, el material presenta variaciones en sus propiedades magnéticas.

En este caso, los precursores son sales de bismuto y hierro, y otros dos reactivos: un aminoácido, la glicina, y el ácido nítrico. El estudio se centra en la proporción de los dos últimos, pues dependiendo de sus proporciones se genera una llama o no durante la reacción. Si se genera, la temperatura aumenta y con ello se obtiene un producto más puro. Si no la hay, se detectan impurezas en el compuesto resultante, al caracterizarse por difracción de rayos X.

La relación entre la glicina y el ácido nítrico es pues fundamental para determinar el grado de pureza del producto. El trabajo muestra bajo qué proporción se obtiene una llama de alrededor de 50 centímetros de altura durante la reacción, y con cuál de esas relaciones ya no se obtiene fuego.

Ortiz Quiñonez explicó que ahí lo que sucede es que los iones nitrato del ácido nítrico oxidan los átomos de carbono de la glicina. En química este tipo de reacciones se llaman reacciones de reducción-oxidación, o simplemente reacción redox.

 “Los trabajos posteriores tendrán en cuenta esta relación, ya que cuando busquen sintetizar el material, conocerán previamente las proporciones requeridas para generar llama o no, según las morfologías, características o propiedades deseadas”, indicó.

De la proporción ácido nítrico-glicina también dependen los tamaños de las partículas, que pueden variar desde los 200 hasta los 350 nanómetros, y la cantidad de fases amorfas en el mismo. Para caracterizar la ferrita en este trabajo también se usó espectroscopia Mӧssbauer, una técnica muy útil para caracterizar compuestos que tienen hierro.

Una publicación con alto factor de impacto

El artículo de Ortiz, Salazar y Pal es uno de los trabajos de la Facultad de Ingeniería publicados en una revista con alto factor de impacto, tras haber sido aceptado por Inorganic Chemistry, uno de los journals más exigentes y prestigiosos de su área. Es para ellos un motivo de satisfacción, pues además de haber ayudado a esclarecer el origen de las propiedades magnéticas de la ferrita de bismuto y sus valores, en este texto se ofrece una metodología para obtener un material más o menos puro, según lo que se pretenda.

En adelante, las personas que buscan aplicar sus propiedades magnéticas (magnetización) en el almacenamiento de información, tienen que ser conscientes de que esas propiedades no son tan altas. Por tanto, necesitan de estudios más profundos sobre posibles impurezas que puedan modificar estas propiedades, como el de los universitarios de la BUAP.

Ortiz Quiñonez recordó que fue en 2009 cuando se puso en duda las propiedades ferromagnéticas de la ferrita de bismuto, pero con este artículo publicado el pasado 10 de mayo la incertidumbre disminuyó. En la BUAP detectaron por difracción de rayos X dos de las impurezas y vieron que la impureza Bi2Fe4O9 no afectaba considerablemente las propiedades magnéticas del material. También que el material de una alta pureza tiene un valor de magnetización relativamente bajo.

Otros reportes del mismo material han dado valores de propiedades magnéticas más altos. Ortiz los atribuye a impurezas o material amorfo. “Cuando en trabajos futuros tengan valores de propiedades magnéticas superiores a los reportados en este artículo, la investigación tendrá que profundizar sobre la posible presencia de impurezas. Es decir, se tienen que asegurar del porqué de los valores”.