Las aleaciones Heusler son unos compuestos intermetálicos con una determinada estructura cristalina que están constituidos por tres (a veces cuatro) elementos metálicos, siendo muy habitual que uno de estos sea el manganeso. La primera aleación de este tipo, Cu2MnSn, fue descrita por primera vez en 1903 por el ingeniero alemán Friedrich Heusler, de quien recibe el nombre. Debido a su peculiar estructura cristalina y a la enorme cantidad de posibles combinaciones estables en su composición, estos compuestos tienen muchas propiedades interesantes desde el punto de vista fisicoquímico. En concreto presentan gran variedad de comportamientos magnéticos (ferromagnéticos, ferrimagnéticos, antiferromagnéticos, etc.), así como propiedades electrónicas variadas e inusuales como actuar de semimetales o incluso de semimetales parciales (solo para una de las componentes del espín); ser semiconductores o superconductores; o poseer diversas fases topológicas.
Dada la complejidad de estos compuestos y la inmensa diversidad en cuanto a composición, resultado complicado estudiar sus propiedades electrónicas y magnéticas. De hecho, estas no están aún completamente entendidas y resulta difícil extraer tendencias generales o reglas sencillas que permitan racionalizar los distintos comportamientos que presentan las diversas aleaciones[1]. Esto se debe a que las propiedades dependen mucho del procesado y de los tratamientos térmicos, así como de las distintas fases cristalográficas que existen. Por eso, desde hace más de cien años la comunidad científica investiga estos compuestos con gran interés en busca de nuevas aplicaciones comerciales.
Antes de entrar en las propiedades específicas y posibles aplicaciones de las aleaciones Heusler vamos a centrarnos en su estructura cristalina, que deriva de la cúbica compacta, ya que consta de tres o cuatro redes superpuestas como se muestra en la figura 3.18. Nótese que, si todos los átomos fueran de la misma clase la estructura se simplificaría a una cúbica centrada en el cuerpo. Esta estructura cristalina se corresponde con fórmulas químicas del tipo XYZ (semi-Heusler) o X2YZ (Heusler completa), en las que en general X e Y son metales de transición y Z un metal del bloque p de la tabla periódica. Como ya hemos dicho, el manganeso es un elemento muy frecuente en estas aleaciones, aunque en algunas ocasiones puede aparecer el cromo en su lugar. Si no figuran ni el manganeso ni el cromo ha de haber algún elemento ferromagnético como el hierro, el cobalto o el níquel. También es posible encontrar aleaciones tipo Heusler constituidas por cuatro elementos distintos (cuaternarias) y a veces las posiciones cristalográficas de la mitad de los átomos X e Y pueden intercambiarse (Heusler inversas) sin perder la estabilidad. Vemos, pues, que existe una gran variedad de aleaciones de este tipo, ya que hay infinidad de combinaciones posibles.
Un estudio ya célebre que constató la gran variabilidad en las propiedades electrónicas de las aleaciones Heusler fue publicado por unos científicos holandeses en 1983[2]. Mediante cálculos de primeros principios averiguaron que había una aleación, concretamente NiMnSb, cuyos electrones poseían comportamiento metálico para uno de los espines mientras que los del espín antiparalelo presentaban comportamiento semiconductor. Este hallazgo representó un punto de inflexión importante en el estudio de las aleaciones Heusler, que desde entonces se investigaron mucho más a fondo, caracterizándose nuevas aplicaciones y todo tipo de propiedades exóticas. Por ejemplo, fenómenos termoeléctricos[3] y otros que ya hemos introducido anteriormente como el efecto magnetocalórico (apartado 3.4) o la memoria de forma (apartado 3.5). Frecuentemente estos fenómenos se dan de modo simultáneo e interrelacionado, por lo que son muy complejos de estudiar[4]. Aquí simplemente vamos a esbozar las principales causas de que estas aleaciones tengan estos comportamientos tan complejos, que básicamente están relacionadas con la cantidad tan grande de fases cristalográficas que pueden presentar junto con sus correspondientes configuraciones magnéticas.
En primer lugar debemos especificar que la estructura cristalina de simetría cúbica que acabamos de describir se corresponde únicamente con la fase más probable de alta temperatura, mientras que a bajas temperaturas aparecen otras fases cristalográficas de menor simetría que se denominan genéricamente martensíticas. Al igual que ocurre con las aleaciones con memoria de forma, esta denominación proviene de la terminología clásica que se usa en los aceros, ya que se trata de una transición de fase sin difusión que ocurre a gran velocidad. Estas fases martensíticas no son metaestables como le ocurre a la martensita de los aceros, y no es necesario un tratamiento térmico basado en un enfriamiento rápido, sino que sencillamente se trata de las fases cristalinas predominantes a temperaturas menores. A las fases cúbicas que se describen en la figura 3.18 se las denomina a veces austeníticas, siguiendo la analogía de los aceros. Dependiendo de la composición de cada aleación, los compuestos Heusler pueden presentar distintas temperaturas de transición y distintas fases martensíticas.
El ejemplo que se presenta en la figura 3.19 ilustra perfectamente la gran variedad de estructuras cristalográficas que exhiben estos compuestos, especialmente cuando se trabaja con compuestos no estequiométricos. Es decir, no necesariamente una aleación tipo Heusler debe contener cantidades estequiométricas de cada elemento, sino que puede haber excesos o defectos de algunas de las especies y su localización en la red cristalina puede ser distinta y afectar a las estructuras. En concreto, en la figura 3.19 vemos varias micrografías de la aleación (Ni49Mn39Sn12)100–xCox con distintos contenidos de cobalto. La figura 3.19a muestra la fase cúbica, mientras que las b, c y d muestran distintas fases martensíticas que pueden ser tetragonales, ortorrómbicas o monoclínicas y tienen una notación estandarizada según cómo se construya la celda unidad de la fase (4O, 7M, 10M, 14M, etc.). Como vemos en la figura 3.19e, estas transformaciones ocurren sin difusión, ya que implican un desplazamiento mínimo de la mayoría de los átomos, aunque suficiente para cambiar la simetría de la red cristalina de una fase a otra.
Esta riqueza estructural se ve claramente reflejada en la cantidad de órdenes magnéticos que pueden aparecer en los compuestos Heusler. En el caso de los semi-Heusler las posibilidades no son tantas ya que solo existe una subred magnética (la correspondiente a los átomos con coordinación octaédrica). Sin embargo, en las aleaciones Heusler completas existen dos subredes magnéticas que pueden acoplarse de forma distinta, dando lugar a fases ferromagnéticas (con todos los momentos magnéticos paralelos), fases antiferromagnéticas (cuando los momentos magnéticos de ambas subredes están enfrentados y son de la misma magnitud) o ferrimagnéticas (cuando el acople es antiparalelo pero asimétrico porque una red presenta mayor momento magnético que la otra). Hay que tener en cuenta que estos órdenes magnéticos pueden verse alterados según el tipo de fase cristalográfica. Es decir, puede haber un compuesto que en su fase austenítica sea ferromagnético pero que se vuelva antiferromagnético en su fase martensítica.
Cerramos esta sección sobre los compuestos Heusler comentando que sus propiedades mecánicas no han sido todavía estudiadas de forma sistemática, por lo que no se conocen muchas de las magnitudes típicas que sirven para comparar el rendimiento mecánico de los materiales y que en general hemos indicado para la mayoría de los presentados hasta ahora.
[1] Para obtener una visión general puede consultarse este artículo de revisión: T. Graf et al. Prog. Solid State Chem. 39 (2011) 1-50. https://doi.org/10.1016/j.progsolidstchem.2011.02.001.
[2] R. A. de Groot et al. Phys. Rev. Lett. 50 (1983) 2024. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.50.2024.
[3] S. Chen y Z. Ren. Mater. Today 16 (2013) 387-395. https://doi.org/10.1016/j.mattod.2013.09.015.
[4] Varias publicaciones relevantes sobre fenómenos simultáneos en estos materiales son: T. Krenke et al. Nat. Mater. 4 (2005) 450-454. https://doi.org/10.1038/nmat1395; L. Mañosa et al. Nat. Mater. 9 (2010) 478-481. https://doi.org/10.1038/nmat2731; J. Liu et al. Nat. Mater. 11 (2012) 620-626. https://doi.org/10.1038/nmat3334.
[5] Figura adaptada de I. Galanakis. Theory of Heusler and Full-Heusler Compounds. En C. Felser y A. Hirohata (eds.). Heusler Alloys Properties, Growth, Applications. Springer (2016). La tabla periódica con elementos coloreados procede de T. Graf et al. Prog. Solid State Chem. 39 (2011) 1-50. https://doi.org/10.1016/j.progsolidstchem.2011.02.001.
[6] H. Zheng et al. J. Mater. Res. 29 (2014) 880-886. https://doi.org/10.1557/jmr.2014.57.
[7] H. Yan et al. Acta Mater. 88 (2015) 375-388. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2015.01.025.
Este texto pertenece al libro:
Carlos Romero Muñiz, José M.ª Gavira Vallejo: Noventa materiales de ingeniería para la enseñanza de Física y Química. Triplenlace.com, 2025. https://triplenlace.com/aula-libros/90mi/.
