Magnetoquímica

La magnetoquímica es la rama de la ciencia que se dedica al estudio de las sustancias (elementos y compuestos) de propiedades magnéticas interesantes.

Historia

Ferredoxina: proteína magnética de Fe/S

Los primeros compuestos magnéticamente interesantes (históricamente, fueron únicamente los ferromagnéticos ferromagnéticos, ya que el paramagnetismo y el diamagnetismo no son fenómenos lo bastante intensos para haber llamado la atención antes del desarrollo de la física) eran típicamente sólidos inorgánicos, como el hierro o la magnetita (un óxido de hierro).

Actualmente, los compuestos magnéticos de interés abarcan un amplio rango de campos, desde la química del estado sólido hasta la bioquímica.

Algunos científicos que se han implicado en el avance de la magnetoquímica en las últimas décadas son Olivier Kahn y Dante Gatteschi.

Fundamentos

Las propiedades magnéticas son generalmente debidas a la existencia de electrones desapareados en los metales de transición (aunque hay sistemas magnéticos puramente orgánicos, ver más abajo). En algunos sólidos inorgánicos, los momentos magnéticos de estos electrones se acoplan, este acoplamiento se propaga tridimensionalmente, y se llega a un ordenamiento magnético. Esto da lugar a la aparición de dominios magnéticos, con lo que se tienen imanes, con sus conocidas propiedades (atracción y repulsión) por otros imanes, dependiendo de cómo se enfrenten sus polos magnéticos.

Sólo recientemente se han sintetizado compuestos paramagnéticos, e incluso ferromagnéticos, enteramente orgánicos, aprovechando el acoplamiento de radicales libres, como el nitronil nitróxido, estabilizados para limitar su reactividad.

Glosario de conceptos fundamentales

• acoplamiento espín-órbita - acoplamiento entre un momento magnético orbital y un momento magnético de espín
• acoplamiento magnético - dos momentos magnéticos se alinean
• anisotropía en el canje magnético - canje magnético de diferente intensidad para diferentes direcciones del espacio
• campo magnético - íntimamente ligado al campo eléctrico, una de las fuerzas fundamentales de la naturaleza
• canje magnético - determina el alineamiento entre los momentos magnéticos por interacción directa
• correlaciones magnetoestructurales - correspondencia entre estructura molecular (o cristalina) e interacciones magnéticas
• desdoblamiento a campo nulo - diferencia de energía entre niveles magnéticos, en ausencia de campo magnético externo
• diamagnetismo - propiedad de un sistema que es repelido por el campo magnético (generalmente, sin momentos magnéticos)
• efecto Zeeman - desdoblamiento de los niveles magnéticos por interacción con un campo externo aplicado
• espín - propiedad fundamental de las partículas elementales, como la masa o la carga eléctrica
• equilibrio de espín - se puede dar en un sistema macroscópico con dos fases magnéticas posibles
• ferrimagneto - sólido con ordenamiento magnético que hace su magnetización alta, a base de interacciones antiferromagnéticas no compensadas
• ferromagneto - sólido con ordenamiento magnético que hace que su magnetización sea máxima, a base de interacciones ferromagnéticas
• histéresis magnética - retención de una magnetización remanente tras eliminar el campo magnética aplicado sobre un sistema
• imán - material con histéresis magnética
• imán monomolecular - imán en una sola molécula
• imán de base molecular - un imán construido a partir de muchas moléculas
• interacción magnética - dos momentos magnéticos se afectan uno a otro
• interacción magnética dipolar - como la que se produce en imanes macroscópicos
• hamiltonianos relacionados con magnetoquímica - descripciones cuánticas de fenónemos magnéticos
• momento magnético - unidad fundamental de magnetismo, se puede imaginar como un pequeño imán
• momento magnético de espín - momento magnético intrínseco al espín, lo encontraremos en todo electrón desparejado
• momento magnético orbital - momento magnético por el movimiento orbital de los electrones, lo encontraremos sólo en sistemas con degeneración orbital
• orbital - descripción (función) matemática de la situación de un electrón en un átomo
• ordenamiento magnético - un número elevado de momentos magnéticos se alinean, en un sólido
• paramagnetismo - un sistema con momentos magnéticos, que es atraído por el campo
• supercanje magnético - como el canje magnético, pero a través de un puente
• superparamagneto - paramagneto de momento magnético muy elevado
• susceptibilidad magnética - incremento de la magnetización por la exposición a un campo magnético
• transferencia electrónica - salto de un electrón de un átomo a otro
• transición de espín - paso brusco entre las dos fases magnéticas posibles en un sistema macroscópico
• vidrio de espín - sólido paramagnético capaz de presentar algunas de las propiedades de un ferromagneto

Vista superior del Mn12. Se ven los carboxilatos ecuatoriales.

Investigación experimental

La investigación experimental en este campo incluye en la búsqueda de nuevos materiales con propiedades magnéticas interesantes, o en la combinación de propiedades: magnéticas y eléctricas, magnéticas y ópticas...

Recientemente, se han logrado, por ejemplo, imanes moleculares (como el Mn12), ferromagnetos de base molecular conductores de la electricidad, y paramagnetos superconductores de la electricidad.

Los estudios experimentales exigen técnicas de síntesis novedosas, así como aparatos de medida sofisticados: magnetómetros equipados con SQUID, dispersión inelástica de neutrones, resonancia paramagnética electrónica,...

Investigación teórica

Esquema del canje magnético

La investigación teórica incluye el desarrollo y perfeccionamiento de modelos que describan el canje magnético o la transferencia electrónica (en compuestos de valencia mixta). Algunos de estos modelos son muy sencillos y generales, como las reglas de Goodenough-Kanamori para predecir si la tendencia de una interacción magnética va a ser ferro- o antiferromagnética según el ángulo de enlace y la disposición de los orbitales. Otros son más sofisticados.

Muchos estudios teóricos de magnetoquímica requieren el uso de herramientas de mecánica cuántica o hamiltonianos modelo (con la ayuda de la química computacional). También es de gran ayuda el estudio de series de compuestos de química de coordinación o polioxometalatos, para el establecimiento de correlaciones magnetoestructurales.

Véase también

• Electroquímica
• Termoquímica
• Fotoquímica