La magnetita es un mineral y uno de los principales minerales de hierro , con la fórmula química Fe 2+ Fe3+2O 4 . Es uno de los óxidos de hierro , y es ferrimagnético ; [6] es atraído por un imán y puede magnetizarse para convertirse en un imán permanente. [7] [8] Con la excepción de los depósitos de hierro nativo extremadamente raros , es el más magnético de todos los minerales naturales de la Tierra. [7] [9] Las piezas de magnetita naturalmente magnetizadas, llamadas imán , atraerán pequeños trozos de hierro, que es como los pueblos antiguos descubrieron por primera vez la propiedad del magnetismo. [10]
La magnetita es de color negro o negro parduzco con brillo metálico, tiene una dureza de Mohs de 5 a 6 y deja una raya negra . [7] Los pequeños granos de magnetita son muy comunes en las rocas ígneas y metamórficas . [11]
El nombre químico IUPAC es óxido de hierro (II, III) y el nombre químico común es óxido ferroso-férrico . [12]
Además de las rocas ígneas, la magnetita también se encuentra en rocas sedimentarias , incluidas formaciones de hierro en bandas y en sedimentos lacustres y marinos, tanto en forma de granos detríticos como de magnetofósiles . También se cree que las nanopartículas de magnetita se forman en los suelos, donde probablemente se oxidan rápidamente a maghemita . [13]
La composición química de la magnetita es Fe 2+ (Fe 3+ ) 2 (O 2- ) 4 . Esto indica que la magnetita contiene hierro ferroso ( divalente ) y férrico ( trivalente ), lo que sugiere cristalización en un ambiente que contiene niveles intermedios de oxígeno. [14] [15] Los principales detalles de su estructura se establecieron en 1915. Fue una de las primeras estructuras cristalinas que se obtuvo mediante difracción de rayos X. La estructura es de espinela inversa , con iones O 2- formando una red cúbica centrada en las caras y cationes de hierro ocupando sitios intersticiales . La mitad de los cationes Fe 3+ ocupan sitios tetraédricos mientras que la otra mitad, junto con los cationes Fe 2+ , ocupan sitios octaédricos. La celda unitaria consta de treinta y dos iones O 2- y la longitud de la celda unitaria es a = 0,839 nm. [15] [16]
Como miembro del grupo inverso de la espinela, la magnetita puede formar soluciones sólidas con minerales de estructura similar, incluidos el ulvoespinel ( Fe 2 TiO 4 ) y la magnesioferrita ( MgFe 2 O 4 ). [17]
La titanomagnetita, también conocida como magnetita titanífera, es una solución sólida entre magnetita y ulvoespinel que cristaliza en muchas rocas ígneas máficas . La titanomagnetita puede sufrir oxiexsolución durante el enfriamiento, lo que resulta en crecimientos internos de magnetita e ilmenita. [17]
La magnetita natural y sintética se presenta más comúnmente como cristales octaédricos unidos por planos {111} y como dodecaedros rómbicos . [15] La macla ocurre en el plano {111}. [3]
La síntesis hidrotermal generalmente produce cristales octaédricos únicos que pueden medir hasta 10 mm (0,39 pulgadas) de ancho. [15] En presencia de mineralizadores como HI 0,1 M o NH 4 Cl 2 M y a 0,207 MPa a 416–800 °C, la magnetita creció como cristales cuyas formas eran una combinación de formas rómbicas-dodecaedras. [15] Los cristales eran más redondeados de lo habitual. La aparición de formas superiores se consideró como resultado de una disminución en las energías superficiales causada por la menor relación superficie-volumen en los cristales redondeados. [15]
La magnetita ha sido importante para comprender las condiciones bajo las cuales se forman las rocas. La magnetita reacciona con el oxígeno para producir hematita y el par de minerales forma un amortiguador que puede controlar el grado de oxidación de su entorno (la fugacidad del oxígeno ). Este tampón se conoce como tampón de hematita-magnetita o HM. A niveles más bajos de oxígeno, la magnetita puede formar un amortiguador con cuarzo y fayalita conocido como amortiguador QFM. En niveles de oxígeno aún más bajos, la magnetita forma un amortiguador con wüstita conocido como amortiguador MW. Los amortiguadores QFM y MW se han utilizado ampliamente en experimentos de laboratorio sobre química de rocas. El amortiguador QFM, en particular, produce una fugacidad de oxígeno cercana a la de la mayoría de las rocas ígneas. [18] [19]
Comúnmente, las rocas ígneas contienen soluciones sólidas tanto de titanomagnetita como de hemoilmenita o titanohematita. Las composiciones de los pares minerales se utilizan para calcular la fugacidad del oxígeno: en los magmas se encuentra una variedad de condiciones oxidantes y el estado de oxidación ayuda a determinar cómo los magmas podrían evolucionar mediante cristalización fraccionada . [20] La magnetita también se produce a partir de peridotitas y dunitas mediante serpentinización . [21]
Las piedras imán se utilizaron como una de las primeras formas de brújula magnética . La magnetita ha sido una herramienta fundamental en el paleomagnetismo , una ciencia importante para comprender la tectónica de placas y como datos históricos para la magnetohidrodinámica y otros campos científicos . [22]
Se han estudiado mucho las relaciones entre la magnetita y otros minerales de óxido de hierro como la ilmenita , la hematita y el ulvoespinel ; Las reacciones entre estos minerales y el oxígeno influyen en cómo y cuándo la magnetita conserva un registro del campo magnético de la Tierra . [23]
A bajas temperaturas, la magnetita sufre una transición de fase de estructura cristalina de una estructura monoclínica a una estructura cúbica conocida como transición de Verwey . Los estudios ópticos muestran que esta transición de metal a aislante es brusca y ocurre alrededor de 120 K. [24] La transición de Verwey depende del tamaño del grano, el estado del dominio, la presión, [25] y la estequiometría hierro-oxígeno . [26] También se produce un punto isotrópico cerca de la transición de Verwey alrededor de 130 K, en cuyo punto el signo de la constante de anisotropía magnetocristalina cambia de positivo a negativo. [27] La temperatura Curie de la magnetita es 580 °C (853 K; 1076 °F). [28]
Si la magnetita se encuentra en una cantidad suficientemente grande, se puede encontrar en estudios aeromagnéticos utilizando un magnetómetro que mide las intensidades magnéticas. [29]
Las partículas sólidas de magnetita se derriten a aproximadamente 1583-1597 °C (2881-2907 °F). [30] [31] : 794
A veces se encuentra magnetita en grandes cantidades en la arena de las playas. Este tipo de arenas negras (arenas minerales o arenas de hierro ) se encuentran en varios lugares, como en Lung Kwu Tan en Hong Kong; California , Estados Unidos; y la costa oeste de la Isla Norte de Nueva Zelanda. [32] La magnetita, erosionada de las rocas, es llevada a la playa por los ríos y concentrada por la acción de las olas y las corrientes. Se han encontrado enormes depósitos en formaciones de hierro en bandas. [33] [34] Estas rocas sedimentarias se han utilizado para inferir cambios en el contenido de oxígeno de la atmósfera de la Tierra. [35]
También se encuentran grandes depósitos de magnetita en la región de Atacama de Chile ( Cinturón de Hierro de Chile ); [36] la región de Valentines de Uruguay; [37] Kiruna , Suecia; [38] la región de Tallawang de Nueva Gales del Sur; [39] y en las montañas Adirondack de Nueva York en los Estados Unidos. [40] Kediet ej Jill , la montaña más alta de Mauritania , está hecha enteramente de este mineral. [41] También se encuentran depósitos en Noruega , Rumania y Ucrania . [42] Las dunas de arena ricas en magnetita se encuentran en el sur de Perú. [43] En 2005, una empresa de exploración, Cardero Resources, descubrió un vasto depósito de dunas de arena que contienen magnetita en Perú . El campo de dunas cubre 250 kilómetros cuadrados (100 millas cuadradas), con la duna más alta a más de 2000 metros (6560 pies) sobre el suelo del desierto. La arena contiene un 10% de magnetita. [44]
En cantidades suficientemente grandes, la magnetita puede afectar la navegación con brújula . En Tasmania hay muchas zonas con rocas altamente magnetizadas que pueden influir mucho en las brújulas. Se requieren pasos adicionales y observaciones repetidas al usar una brújula en Tasmania para mantener los problemas de navegación al mínimo. [45]
Los cristales de magnetita con hábito cúbico son raros, pero se han encontrado en Balmat, condado de St. Lawrence, Nueva York , [46] [47] y en Långban, Suecia . [48] Este hábito puede ser el resultado de la cristalización en presencia de cationes como el zinc. [49]
La magnetita también se puede encontrar en fósiles debido a la biomineralización y se la conoce como magnetofósiles . [50] También hay casos de magnetita con orígenes en el espacio provenientes de meteoritos . [51]
El biomagnetismo suele estar relacionado con la presencia de cristales biogénicos de magnetita, que se encuentran ampliamente en los organismos. [52] Estos organismos van desde bacterias magnetotácticas (por ejemplo, Magnetospirillum magnetotacticum ) hasta animales, incluidos los humanos, donde los cristales de magnetita (y otros compuestos magnéticamente sensibles) se encuentran en diferentes órganos, dependiendo de la especie. [53] [54] Las biomagnetitas explican los efectos de los campos magnéticos débiles en los sistemas biológicos. [55] También existe una base química para la sensibilidad celular a los campos eléctricos y magnéticos ( galvanotaxis ). [56]
Las partículas de magnetita pura están biomineralizadas en magnetosomas , que son producidos por varias especies de bacterias magnetotácticas . Los magnetosomas consisten en largas cadenas de partículas de magnetita orientadas que las bacterias utilizan para la navegación. Después de la muerte de estas bacterias, las partículas de magnetita de los magnetosomas pueden conservarse en sedimentos como magnetofósiles. Algunos tipos de bacterias anaeróbicas que no son magnetotácticas también pueden crear magnetita en sedimentos libres de oxígeno al reducir el óxido férrico amorfo a magnetita. [57]
Se sabe que varias especies de aves incorporan cristales de magnetita en el pico superior para la magnetorrecepción , [58] lo que (junto con los criptocromos en la retina ) les da la capacidad de detectar la dirección, polaridad y magnitud del campo magnético ambiental . [53] [59]
Los quitones , un tipo de molusco, tienen una estructura similar a una lengua conocida como rádula , cubierta por dientes o dentículos recubiertos de magnetita . [60] La dureza de la magnetita ayuda a descomponer los alimentos.
La magnetita biológica puede almacenar información sobre los campos magnéticos a los que estuvo expuesto el organismo, lo que podría permitir a los científicos aprender sobre la migración del organismo o sobre los cambios en el campo magnético de la Tierra a lo largo del tiempo. [61]
Los organismos vivos pueden producir magnetita. [54] En los seres humanos, la magnetita se puede encontrar en varias partes del cerebro, incluidos los lóbulos frontal , parietal , occipital y temporal , el tronco del encéfalo , el cerebelo y los ganglios basales . [54] [62] El hierro se puede encontrar en tres formas en el cerebro: magnetita, hemoglobina (sangre) y ferritina (proteína), y las áreas del cerebro relacionadas con la función motora generalmente contienen más hierro. [62] [63] La magnetita se puede encontrar en el hipocampo . El hipocampo está asociado con el procesamiento de información, específicamente el aprendizaje y la memoria. [62] Sin embargo, la magnetita puede tener efectos tóxicos debido a su carga o naturaleza magnética y su implicación en el estrés oxidativo o la producción de radicales libres . [64] Las investigaciones sugieren que las placas de beta-amiloide y las proteínas tau asociadas con enfermedades neurodegenerativas ocurren con frecuencia después del estrés oxidativo y la acumulación de hierro. [62]
Algunos investigadores también sugieren que los humanos poseen un sentido magnético, [65] y proponen que esto podría permitir a ciertas personas utilizar la magnetorrecepción para la navegación. [66] El papel de la magnetita en el cerebro aún no se comprende bien y ha habido un retraso general en la aplicación de técnicas interdisciplinarias más modernas al estudio del biomagnetismo. [67]
Las exploraciones con microscopio electrónico de muestras de tejido cerebral humano pueden diferenciar entre la magnetita producida por las propias células del cuerpo y la magnetita absorbida de la contaminación del aire, siendo las formas naturales irregulares y cristalinas, mientras que la contaminación por magnetita se produce como nanopartículas redondeadas . La magnetita en el aire, potencialmente un peligro para la salud humana, es el resultado de la contaminación (específicamente la combustión). Estas nanopartículas pueden viajar al cerebro a través del nervio olfatorio, aumentando la concentración de magnetita en el cerebro. [62] [64] En algunas muestras de cerebro, la contaminación por nanopartículas supera en número a las partículas naturales hasta en 100:1, y dichas partículas de magnetita transmitidas por la contaminación pueden estar relacionadas con un deterioro neuronal anormal. En un estudio, se encontraron las nanopartículas características en el cerebro de 37 personas: 29 de ellas, de entre 3 y 85 años, habían vivido y muerto en la Ciudad de México, un importante punto crítico de contaminación del aire. Algunos de los otros ocho, de entre 62 y 92 años, de Manchester, Inglaterra, habían muerto con enfermedades neurodegenerativas de diversa gravedad. [68] Es posible que tales partículas puedan contribuir a enfermedades como la enfermedad de Alzheimer . [69] Aunque aún no se ha establecido un vínculo causal, los estudios de laboratorio sugieren que los óxidos de hierro como la magnetita son un componente de las placas de proteínas en el cerebro. Estas placas se han relacionado con la enfermedad de Alzheimer . [70]
Se han encontrado niveles elevados de hierro, específicamente hierro magnético, en partes del cerebro de pacientes con Alzheimer. [71] El seguimiento de los cambios en las concentraciones de hierro puede permitir detectar la pérdida de neuronas y el desarrollo de enfermedades neurodegenerativas antes de la aparición de los síntomas [63] [71] debido a la relación entre magnetita y ferritina . [62] En el tejido, la magnetita y la ferritina pueden producir pequeños campos magnéticos que interactuarán con las imágenes por resonancia magnética (MRI) creando contraste. [71] Los pacientes de Huntington no han mostrado niveles elevados de magnetita; sin embargo, se han encontrado niveles elevados en ratones de estudio. [62]
Debido a su alto contenido de hierro, la magnetita ha sido durante mucho tiempo un importante mineral de hierro . [72] Se reduce en altos hornos a arrabio o hierro esponjoso para su conversión en acero . [73]
La grabación de audio mediante cinta de acetato magnético se desarrolló en la década de 1930. El magnetófono alemán utilizó por primera vez polvo de magnetita que BASF recubría con acetato de celulosa antes de cambiar pronto al óxido férrico gamma por su morfología superior. [74] Después de la Segunda Guerra Mundial , la compañía 3M continuó trabajando en el diseño alemán. En 1946, los investigadores de 3M descubrieron que también podían mejorar su propia cinta de papel a base de magnetita, que utilizaba polvos de cristales cúbicos, reemplazando la magnetita con partículas en forma de aguja de óxido férrico gamma (γ-Fe 2 O 3 ). [74]
Aproximadamente entre el 2% y el 3% del presupuesto energético mundial se asigna al Proceso Haber para la fijación de nitrógeno, que se basa en catalizadores derivados de magnetita. El catalizador industrial se obtiene a partir de polvo de hierro finamente molido, que normalmente se obtiene mediante reducción de magnetita de alta pureza. El hierro metálico pulverizado se quema (oxida) para obtener magnetita o wüstita de un tamaño de partícula definido. Luego, las partículas de magnetita (o wüstita) se reducen parcialmente, eliminando parte del oxígeno en el proceso. Las partículas de catalizador resultantes consisten en un núcleo de magnetita, encerrado en una capa de wüstita, que a su vez está rodeada por una capa exterior de hierro metálico. El catalizador mantiene la mayor parte de su volumen aparente durante la reducción, lo que da como resultado un material altamente poroso de alta superficie, lo que mejora su eficacia como catalizador. [75] [76]
Las micro y nanopartículas de magnetita se utilizan en una variedad de aplicaciones, desde biomédicas hasta medioambientales. Un uso es en la purificación del agua: en la separación magnética de alto gradiente, las nanopartículas de magnetita introducidas en el agua contaminada se unirán a las partículas suspendidas (sólidos, bacterias o plancton, por ejemplo) y se depositarán en el fondo del fluido, permitiendo que los contaminantes se eliminen. removidos y las partículas de magnetita recicladas y reutilizadas. [77] Este método también funciona con partículas radiactivas y cancerígenas, lo que lo convierte en una importante herramienta de limpieza en el caso de metales pesados introducidos en los sistemas de agua. [78]
Otra aplicación de las nanopartículas magnéticas es la creación de ferrofluidos . Estos se utilizan de varias maneras. Los ferrofluidos se pueden utilizar para la administración selectiva de fármacos en el cuerpo humano. [77] La magnetización de las partículas unidas con las moléculas del fármaco permite el "arrastre magnético" de la solución al área deseada del cuerpo. Esto permitiría tratar sólo una pequeña zona del cuerpo, en lugar del cuerpo en su totalidad, y podría ser muy útil en el tratamiento del cáncer, entre otras cosas. Los ferrofluidos también se utilizan en la tecnología de imágenes por resonancia magnética (MRI). [79]
Para la separación del carbón de los residuos se utilizaron baños de medio denso. Esta técnica empleó la diferencia de densidades entre el carbón (1,3 a 1,4 toneladas por m 3 ) y el esquisto (2,2 a 2,4 toneladas por m 3 ). En un medio de densidad intermedia (agua con magnetita), las piedras se hundían y el carbón flotaba. [80]
El magneteno es una lámina plana bidimensional de magnetita que destaca por sus propiedades de fricción ultrabaja. [81]
Las aves pueden utilizar el campo geomagnético para orientarse con la brújula. Los experimentos de comportamiento, principalmente con paseriformes migratorios, revelaron tres características de la brújula magnética aviar: (1) funciona espontáneamente sólo en una ventana funcional estrecha alrededor de la intensidad del campo magnético ambiental, pero puede adaptarse a otras intensidades, (2) es una "brújula de inclinación", que no se basa en la polaridad del campo magnético, sino en el curso axial de las líneas del campo, y (3) requiere luz de longitud de onda corta desde UV hasta 565 nm Verde.
Utilizando un magnetómetro superconductor ultrasensible en un entorno de laboratorio limpio, hemos detectado la presencia de material ferromagnético en una variedad de tejidos del cerebro humano.
Un cálculo simple muestra que los magnetosomas que se mueven en respuesta a campos ELF de intensidad terrestre son capaces de abrir canales iónicos transmembrana, de una manera similar a los predichos por los modelos de resonancia iónica. Por lo tanto, la presencia de trazas de magnetita biogénica en prácticamente todos los tejidos humanos examinados sugiere que procesos biofísicos similares pueden explicar una variedad de bioefectos ELF de campo débil.
En conjunto, estos datos sugieren un mecanismo de detección de dos moléculas previamente desconocido en el que KCNJ15/Kir4.2 se acopla con poliaminas para detectar campos eléctricos débiles.
Hay buenas razones para creer que este magnetorreceptor visual procesa la información magnética de la brújula que es necesaria para la orientación migratoria.
Los patrones de difracción de rayos X muestran que los dentículos maduros de tres especies de quitones existentes están compuestos por el mineral lepidocrocita y un mineral de apatita, probablemente francolita, además de magnetita.
