Ferriti

Le ferriti sono composti chimici con proprietà ferrimagnetiche formate da due ossidi e generalmente da ossido di ferro (III) Fe₂O₃ come componente principale, e un ossido di un elemento bivalente come nichel, manganese, magnesio, zinco, rame e ferro.

La storia delle ferriti iniziò secoli prima della nascita di Cristo con la scoperta di pietre che attirano il ferro. I depositi più abbondanti di queste pietre furono trovati nel distretto di Magnesia in Asia Minore, da cui ha origine il nome del minerale magnetite.

Le ferriti hanno eccellenti proprietà magnetiche, elettriche e ottiche che le rendono una scelta indispensabile di materiale per una moltitudine di applicazioni, come, ad esempio, in campo biomedico, display magneto-ottici, batterie a ioni litio ricaricabili, dispositivi a microonde, tecnologia Internet, nuclei di trasformatori, sensori di umidità, supporti ad alta frequenza, registrazioni magnetiche, dispositivi a energia solare e fluidi magnetici.

Per la loro natura ferrimagnetica che si traduce nell’attrazione con i magneti, le ferriti possono essere facilmente magnetizzate da un campo magnetico applicato esternamente. Il momento di dipolo magnetico associato allo spin dell’elettrone ne determina il comportamento magnetico.

Sono stati studiati i nanomateriali di ferrite (FNM) per le loro vaste applicazioni in diverse aree, come il trattamento delle acque reflue, l’elettronica, i catalizzatori, la biomedicina, gli assorbitori di microonde, i sensori e i biosensori a causa della loro elevata area superficiale, stabilità termica, chimica e meccanica, composizione chimica regolabile e proprietà magnetiche versatili

Proprietà delle ferriti

Le ferriti presentano ferrimagnetismo e pertanto i momenti magnetici degli atomi si allineano in direzioni sia parallele come avviene nel ferromagnetismo che in direzioni antiparallele come nell’antiferromagnetismo tuttavia gli atomi hanno momenti magnetici opposti disuguali e pertanto e pertanto presentano una magnetizzazione spontanea.

Le ferriti presentano elevata resistività elettrica, bassa perdita di correnti parassite, elevata permeabilità e stabilità tempo-temperatura, ampia gamma di frequenza, versatilità di forma e basso costo. Le proprietà elettriche e magnetiche delle ferriti a livello nanometrico determinano la loro applicazione per la miniaturizzazione dei dispositivi elettronici.

Il campo magnetico complessivo delle ferriti è meno forte rispetto a quello dei materiali ferromagnetici perché vi è una cancellazione parziale del campo magnetico. Le ferriti di dimensioni nanometriche sono utilizzate per supporti di memorizzazione magnetici ad alta densità, nastri digitali ad alta velocità, registrazioni su disco e dispositivi a microonde.

La morfologia, le dimensioni e le proprietà delle ferriti su scala nanometrica possono essere regolate adottando una particolare via di sintesi; pertanto, la strategia utilizzata per sintetizzare i nanomateriali ha un impatto significativo sulla qualità e sulla quantità delle nanoparticelle prodotte e sulla loro caratterizzazione e applicazione in vari campi.

Classificazione delle ferriti

La classificazione delle ferriti può essere fatta sulla base delle proprietà magnetiche e delle strutture cristalline.

Classificazione sulla base delle proprietà magnetiche

Sulla base delle proprietà magnetiche sono classificate in ferriti soft e hard. Le ferriti soft sono in genere composte da ossido di ferro e altri ossidi metallici come nichel, zinco o manganese. Hanno un’elevata permeabilità magnetica e una bassa coercitività e quindi sono suscettibili alla smagnetizzazione.

Questa proprietà le rende ideali per l’uso in applicazioni ad alta frequenza come trasformatori, induttori e altri componenti elettronici e in applicazioni di schermatura magnetica, dove possono aiutare a ridurre l’interferenza magnetica e sono utilizzate in antenne radio e induttori.

Le ferriti hard sono composte da ferrite di bario o stronzio e hanno un’elevata coercitività e una bassa permeabilità magnetica e pertanto sono molto più difficili da magnetizzare e smagnetizzare rispetto a quelle soft. Grazie a queste caratteristiche, sono ampiamente utilizzate in applicazioni che richiedono un campo magnetico forte e stabile, come nei motori elettrici, negli altoparlanti e nei separatori magnetici.

Classificazione sulla base delle proprietà cristalline

Sulla base delle loro strutture cristalline, le ferriti possono essere classificate in quattro tipi, vale a dire, del gruppo dello spinello, del gruppo del granato, ortoferrite e ferrite esagonale.

Ferriti del gruppo dello spinello

La formula generale delle ferriti del gruppo dello spinello è MB₂O₄ in cui M è uno ione metallico bivalente come Mg, Fe, Zn, Mn, Ni, B in cui B è generalmente Al, Cr o Fe. A seconda di B si hanno tre serie di ferriti del gruppo dello spinello. Alla prima serie, tra le ferriti contenenti alluminio, vi è la gahnite ZnAl₂O₄ che cristallizza nel sistema cristallino cubico che si forma prevalentemente come minerale accessorio nelle rocce ignee come graniti e pegmatiti granitiche.

A questa serie i cui membri hanno maggiore durezza, trasparenza e minore densità degli altri spinelli e vengono utilizzati nell’industria della gioielleria appartiene l’hercynite o comunemente smeriglio con formula FeAl₂O₄ i cui cristalli microscopici hanno struttura ottaedrica e lucentezza simile al vetro che si presenta di colore nero o verde scuro-nero.

Alla serie dell’alluminio appartiene la galaxite MnAl₂O₄ che si forma in rocce ricche di carbonato e giacimenti di silice di depositi di manganese e cristallizza nel sistema cristallino cubico. Alle ferriti del gruppo dello spinello contenenti cromo appartiene la cromite CrAl₂O₄ che cristallizza nel sistema cubico e apprezzata per la sua dilatazione termica relativamente bassa e la magnesiocromite MgAl₂O₄ che da un punto di vista chimico, è un ossido di magnesio e cromo.

Le ferriti del gruppo dello spinello contenenti ferro sono dure, di colore da nero a brunastro, cristallizzano secondo un reticolo cubico a corpo centrato e hanno una bassa coercitività. Tra esse il cuprospinello CuFe₂O₄ che ha strutture di spinello inverso hanno una distribuzione cationica diversa in quanto tutti i cationi di Cu²⁺ e i cationi Fe²⁺ e Fe³⁺ occupano sia siti che siti tetraedrici.

La struttura e le proprietà chimiche del cuprospinello lo rendono un catalizzatore adatto nella reazione di spostamento del gas d’acqua per la produzione di idrogeno. La franklinite ZnFe₂O₄ è un ossido di ferro (III)-zinco scuro o nero e opaco in cui al posto dello ione Zn²⁺ può essere presente Mn²⁺ o Fe²⁺ e, al posto dello ione Fe³⁺ può essere presente Mn³⁺.

La magnesioferrite MgFe₂O₄, scoperta per la prima volta nelle lave vulcaniche del Vesuvio, è un materiale semiconduttore di tipo n magnetico morbido, con eccellente stabilità chimica e struttura spinello parzialmente inversa, utilizzato nella catalisi, nei sensori di gas, nei trasformatori, nei ferrofluidi, nelle celle a combustibile e nel nucleo magnetico delle bobine.

Sebbene gli ioni di magnesio non abbiano natura magnetica, la distribuzione di questi ioni tra i siti ottaedrici e tetraedrici della ferrite di magnesio influisce su alcune proprietà magnetiche, come la magnetizzazione di saturazione e la temperatura di transizione.

La magnetite Fe³⁺[Fe⁺Fe³⁺ ]O₄ indicata generalmente con la formula Fe₃O₄ si trova nelle rocce ignee, metamorfiche e sedimentarie ed è caratterizzata da una elevata capacità termica e alta resistenza al calore. È ferrimagnetica ed è utilizzata nella fabbricazione dell’acciaio, come catalizzatore nel processo Haber per la sintesi dell’ammoniaca e come pigmento per vernici e ceramiche.

La trevorite, nota anche come nichel-ferrite NiFe₂O₄ è ferrimagnetica e ha struttura a spinello inverso. È utilizzata per la sua proprietà nella protezione della corrosione e per le sue caratteristiche magnetiche ed elettriche con possibili applicazioni nella fabbricazione di antenne e batterie. L’ulvite Fe₂TiO₄ forma cristalli isometrici metallici di colore da marrone a nero.

Le ferriti del gruppo dello spinello sono tra i materiali magnetici più promettenti grazie alla loro coercitività superiore, al band gap personalizzato, all’elevata magnetizzazione di saturazione e ad eccellenti caratteristiche fisiche, termiche ed elettriche. Nei settori del trattamento del cancro, della rilevazione delle malattie, della risonanza magnetica per immagini, della somministrazione e del rilascio di farmaci, le nanoparticelle di ferrite morbida (SFNP) offrono un elevato potenziale. Le nanoparticelle di ferrite sono utilizzate nei domini elettronici per creare sensori, biosensori, trasduttori e trasformatori. Le ferriti del gruppo dello spinello sono utilizzate nel trattamento delle acque reflue e possono essere accoppiate ad altri nanomateriali per la fotocatalisi e l’adsorbimento.

Ferriti del gruppo del granato

Le ferriti di granato hanno formula generale M₃Fe₅O₁₂ dove M è l’ittrio o uno ione delle terre rare e presentano proprietà elettromagnetiche, magneto-ottiche, meccaniche e termiche uniche. I granati di ferro delle terre rare sono importanti per versatilità della sostituzione cationica in varie posizioni geometriche che si traduce in caratteristiche regolabili e varie per dispositivi magnetici e applicazioni optoelettroniche.

Nel granato di ferro e ittrio Y₃Fe₅O₁₂ gli ioni Y³⁺occupano i siti di un sottoreticolo dodecaedrico, due degli ioni Fe³⁺ si trovano in siti ottaedrici e i restanti tre ioni Fe³⁺ si trovano nei siti di un sottoreticolo tetraedrico. Il granato di ferro e ittrio è utilizzato nella realizzazione di celle a combustibile e materiali per l’energia solare.

Le proprietà biomediche, magnetiche, ottiche e catalitiche dell’ossido di ferro e ittrio trovano applicazioni nella produzione di materie plastiche, rivestimenti, tessuti, filtri ottici e catalizzatori. Inoltre è utilizzato in soluzioni tecnologiche innovative come i quantum dots.

Sono stati sintetizzati nuovi tipi di ferriti del gruppo del granato sostituendo l’ittrio con ioni di metalli di transizione o terre rare, come Bi³⁺, Ce³⁺, Er³⁺, Tb³⁺ nei siti dodecaedrici, e anche sostituendo gli ioni Fe ³⁺ con altri elementi come Ga³⁺ , Al³⁺ o altri metalli nei siti del sottoreticolo tetraedrico.

Ortoferriti

Le ortoferriti hanno formula generale RFeO₃ dove R è uno o più elementi delle terre rare e hanno una struttura cristallina ortorombica. Grazie alle loro proprietà ferromagnetiche, queste orto-ferriti delle terre rare potrebbero essere utilizzate nei dispositivi elettronici, nei sensori di gas e come catalizzatori.

Tra le più note ortoferriti vi è quella di lantanio LaFeO₃ che ha una struttura perovskitica ed è un semiconduttore di tipo p impiegata come sensore, materiale per elettrodi in celle a combustibile solido e fotocatalizzatore.

Le prestazioni di LaFeO₃ sono comunemente subordinate alla sua struttura, alla forma delle particelle e alle dimensioni. Di conseguenza, i metodi di sintesi e di elaborazione impiegati nella sua preparazione hanno una grande influenza sulle proprietà risultanti e pertanto sono stati elaborati diversi metodi per la preparazione in base ad applicazioni mirate.

Ferriti esagonali

Le ferriti esagonali sono tutte materiali ferrimagnetici e le loro proprietà magnetiche sono intrinsecamente legate alle loro strutture cristalline. Infatti mostrano anisotropia magnetocristallina per la quale la dipendenza dell’energia magnetica dall’orientamento della magnetizzazione rispetto agli assi cristallografici, è legata alla simmetria del cristallo e alla posizione degli atomi nel reticolo.

Le ferriti esagonali hanno formula MFe₁₂O₁₉ dove M può essere Sr, Ba, Pb e l’ossigeno può essere sostituito da ioni metallici con lo stesso raggio ionico dell’ossigeno. Il reticolo cristllino è analogo a quello del gruppo dello spinello in cui sono presenti tre siti diversi ovvero ottaedrico, bipiramide trigonale e tetraedrico occupati dai metalli.

Vi sono sei tipi di ferriti esagonali indicate con le lettere M, W, Y, X, Z e U. Si distinguono pertanto ferriti di tipo:
M come  BaFe₁₂O₁₉ (BaM) e SrFe₁₂O₁₉ (SrM)
W come BaCo₂Fe₁₆O₂₇ o Co₂W
Y come Ba₂Co₂Fe₁₂O₂₂  o Co₂Y
X come Ba₂Co₂Fe₂₈O₄₆ o Co₂ X
Z come Ba₃Co₂Fe₂₄O₄₁ o Co₂Z
U come Ba₄Co₂Fe₃₆O₆₀  o Co₂U

Dalla loro scoperta negli anni ’50 dello scorso secolo sono diventati materiali di enorme importanza commerciale e tecnologica, rappresentando la maggior parte dei materiali magnetici totali prodotti a livello globale, e hanno una molteplicità di usi e applicazioni. Oltre al loro uso come magneti permanenti, sono utilizzate come materiali di registrazione magnetica e archiviazione dati e come componenti in dispositivi elettrici, in particolare quelli che operano alla frequenza delle microonde.

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