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Propiedades fisicoquímicas de los cúmulos de átomosen función de su tamaño

Se ha observado que las propiedades magnéticas de pequeños cúmulos de átomos de hierro (Fe) son diferentes a las que presentan de manera masiva: en condiciones de equilibrio térmico éstos se comportan como cúmulos de una gran susceptibilidad magnética (son superparamagnéticos). Además, su momento magnético es mayor que el de la forma masiva. El valor masivo se alcanza para cúmulos con tamaños del orden de 700 átomos. Cuando el tamaño del cúmulo aumenta, el promedio del momento magnético decrece y oscila. La Revista Mexicana de Física publicó en agosto de 2006 uno de los artículos más recientes del doctor José Luis Morán-López del Instituto Potosino de Investigación Científica y Tecnológica y sus colaboradores, en el que se  muestra que las propiedades magnéticas de los cúmulos dependen de su tamaño y de su geometría.

En el estudio se advierte que no hay información experimental sobre las características geométricas de los pequeños cúmulos; ante esta situación, los autores asumen que la geometría adoptada por los cúmulos es la misma que la de la malla cristalina global. En el caso del Fe, se acepta que los cúmulos crecen como pequeños pedazos de una malla con estructura cúbica centrada en el cuerpo (bcc, por sus siglas en inglés), mientras que los cúmulos de níquel (Ni) siguen la estructura cúbica centrada en las caras (fcc). (La otra estructura en que cristalizan los metales es conocida como estructura hexagonal compacta (hcp).

Uno de los factores clave determinantes de las propiedades fisicoquímicas de los nanocúmulos, es su arreglo geométrico. En particular, la estructura geométrica es de la mayor importancia para determinar las propiedades magnéticas.

Los cálculos se realizaron en el programa Cerius, que consta de varios módulos que permiten realizar numerosas operaciones. En este trabajo se empleó el código ESOCS (Electronic Structure of Close-packed Solids), que se basa en principios de mecánica cuántica (método ab initio) y ha sido usado para calcular la estructura electrónica de superficies y cuerpos de un amplio rango de sistemas del estado sólido, incluyendo metales y semiconductores. Este código incluye el acoplamiento spin – órbita (El spin es un número cuántico que indica el giro de un electrón o una partícula atómica en torno a su propio eje).

Los resultados indican que los valores promedio más grandes del momento magnético del spin por átomo se obtienen en los cúmulos más  pequeños. En este trabajo, los investigadores adscritos al Instituto Potosino de Investigación Científica y Tecnológica, al Instituto Nacional de Investigaciones Nucleares (López Laurrabaquio y Pérez Álvarez), al Instituto de Física de la Universidad Autónoma de San Luis Potosí (Montejano-Carrizales) y al Departamento de Física Teórica, Atómica, y Óptica de la Universidad de Valladolid (Aguilera-Granja),  destacan que los resultados para los momentos magnéticos de spin y orbital en los diferentes ambientes atómicos, muestran que las propiedades del cúmulo magnético dependen de su tamaño y su geometría.

López Laurrabaquio, G., Pérez Álvarez, M., Montejano-Carrizales, J.M., Aguilera-Granja, F. y Morán-López, J.L. Magnetic properties of Fe nanoclusters: ab initio calculations of FeN, N = 9, 15, 27, 51, and 59. Revista Mexicana de Física 52(4): 329–335, 2006.

 
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