Ferriti : esplorazione delle proprietà e applicazioni dei composti ferromagnetici.

Le ferriti sono composti chimici caratterizzati da proprietà ferrimagnetiche, ottenuti mediante la combinazione di due ossidi. In genere, la componente principale è rappresentata dall’ossido di ferro(III) (Fe₂O₃), a cui si associa un ossido di un elemento bivalente, ad esempio nichel, manganese, magnesio, zinco, rame o ferro. Questi materiali sono noti per la loro capacità di essere facilmente magnetizzati e per le loro eccellenti proprietà magnetiche, elettriche e ottiche.

La storia delle ferriti affonda le radici in epoche antichissime, risalenti a secoli prima di Cristo, con la scoperta di pietre capaci di attrarre il ferro. I depositi più abbondanti di tali materiali furono rinvenuti nel distretto di Magnesia, in Asia Minore, da cui deriva il nome della mineralogia magnetite.

Proprietà e Applicazioni

Le ferriti presentano una serie di proprietà che le rendono materiali indispensabili per numerose applicazioni:

• Proprietà Magnetiche:
  Il fenomeno del ferrimagnetismo si manifesta attraverso l’allineamento parziale dei momenti magnetici degli atomi. In questi materiali, i momenti magnetici possono disporre sia in maniera parallela (come nel ferromagnetismo) sia in maniera antiparallela (come nell’antiferromagnetismo), ma a causa della disuguaglianza dei momenti, si ottiene una magnetizzazione spontanea. Questo comportamento è determinato dal momento di dipolo magnetico associato allo spin degli elettroni.
• Proprietà Elettriche ed Ottiche:
  Le ferriti possiedono elevata resistività elettrica e bassa perdita dovuta a correnti parassite. Esse mostrano inoltre elevata permeabilità magnetica, stabilità tempo-temperatura e una risposta operativa in un’ampia gamma di frequenze, il tutto con una versatilità di forma e a costi contenuti.
• Applicazioni Tecnologiche:
  Grazie a tali proprietà, le ferriti trovano impiego in numerosi settori, tra cui:
  • Biomedicina
  • Display magneto-ottici
  • Batterie a ioni litio ricaricabili
  • Dispositivi a microonde e antenne radio
  • Nuclei di trasformatori e dispositivi elettronici miniaturizzati
  • Sensori (inclusi sensori di umidità e biosensori)
  • Registrazioni magnetiche e supporti ad alta densità
  • Dispositivi per l’energia solare e fluidi magnetici

In particolare, la possibilità di controllare la morfologia e le dimensioni delle ferriti a scala nanometrica attraverso specifiche vie sintetiche ne amplia il potenziale di utilizzo in campi quali il trattamento delle acque reflue, la catalisi, l’elettronica e la biomedicina.

Classificazione delle Ferriti

La classificazione delle ferriti può essere effettuata in base alle proprietà magnetiche e alle strutture cristalline.

1. In Base alle Proprietà Magnetiche

Le ferriti vengono suddivise in due categorie principali:

• Ferriti Soft:
  Questi materiali, generalmente costituiti da ossido di ferro combinato con altri ossidi metallici (ad es. nichel, zinco, manganese), presentano elevata permeabilità magnetica e bassa coercitività. Tale caratteristica le rende facilmente magnetizzabili e smagnetizzabili, rendendole ideali per applicazioni in dispositivi ad alta frequenza come trasformatori, induttori, schermature magnetiche e antenne radio.
• Ferriti Hard:
  Composte tipicamente da ferriti di bario o stronzio, esse mostrano elevata coercitività e bassa permeabilità magnetica, risultando più difficili da magnetizzare e smagnetizzare. Queste proprietà le rendono particolarmente indicate per applicazioni in dispositivi che richiedono campi magnetici forti e stabili, quali motori elettrici, altoparlanti e separatori magnetici.

2. In Base alle Strutture Cristalline

Le ferriti si classificano, inoltre, in quattro gruppi principali in funzione della loro struttura cristallina:

• Ferriti del Gruppo dello Spinello:
  Con formula generale MB2O4\mathrm{MB_2O_4}MB2​O4​, dove $M$ è un catione metallico bivalente (es. Mg, Fe, Zn, Mn, Ni) e $B$ è generalmente costituito da elementi come Al, Cr o Fe, queste ferriti si suddividono in diverse serie a seconda della natura di $B$.
  • Serie alluminica: Ad esempio, la gahnite (ZnAl2O4\mathrm{ZnAl_2O_4}ZnAl2​O4​) e l’hercynite (FeAl2O4\mathrm{FeAl_2O_4}FeAl2​O4​), quest’ultima nota per i suoi cristalli microscopici con struttura ottaedrica e lucentezza simile al vetro.
  • Serie contenente alluminio e manganese: Ad esempio, la galaxite (MnAl2O4\mathrm{MnAl_2O_4}MnAl2​O4​).
  • Serie contenente cromo: Comprendono la cromite (CrAl2O4\mathrm{CrAl_2O_4}CrAl2​O4​) e la magnesiocromite (MgAl2O4\mathrm{MgAl_2O_4}MgAl2​O4​).
    Inoltre, vi sono ferriti contenenti ferro, come il cuprospinello (CuFe2O4\mathrm{CuFe_2O_4}CuFe2​O4​), la franklinite (ZnFe2O4\mathrm{ZnFe_2O_4}ZnFe2​O4​), la magnesioferrite (MgFe2O4\mathrm{MgFe_2O_4}MgFe2​O4​), la magnetite (Fe3O4\mathrm{Fe_3O_4}Fe3​O4​) e la trevorite (NiFe2O4\mathrm{NiFe_2O_4}NiFe2​O4​), che trovano applicazione in catalisi, produzione di idrogeno e pigmentazione.
• Ferriti del Gruppo del Granato:
  Con formula generale M3Fe5O12\mathrm{M_3Fe_5O_{12}}M3​Fe5​O12​ (dove $M$ rappresenta ittrio o un catione delle terre rare), queste ferriti sono caratterizzate da proprietà elettromagnetiche, magneto-ottiche, meccaniche e termiche uniche. Il granato di ferro e ittrio (Y3Fe5O12\mathrm{Y_3Fe_5O_{12}}Y3​Fe5​O12​) è particolarmente utilizzato in celle a combustibile, materiali per l’energia solare e in applicazioni optoelettroniche. La sostituzione di Y3+\mathrm{Y^{3+}}Y3+ o di Fe3+\mathrm{Fe^{3+}}Fe3+ con altri ioni (come Bi³⁺, Ce³⁺, Er³⁺, Tb³⁺, Ga³⁺, Al³⁺) consente di modulare le proprietà del materiale.
• Ortoferriti:
  Con formula generale RFeO3\mathrm{RFeO_3}RFeO3​ (dove $R$ indica uno o più elementi delle terre rare), le ortoferriti presentano una struttura cristallina ortorombica e mostrano proprietà ferromagnetiche. Un esempio notevole è il LaFeO₃, che, grazie alla sua struttura perovskitica, viene impiegato in sensori di gas, elettrodi per celle a combustibile solido e come fotocatalizzatore. Le prestazioni di questi materiali sono strettamente correlate alla loro morfologia e alle dimensioni delle particelle, fattori determinati dal metodo di sintesi.
• Ferriti Esagonali:
  Questi materiali ferrimagnetici, con formula generale MFe12O19\mathrm{MFe_{12}O_{19}}MFe12​O19​ (dove $M$ può essere Sr, Ba, o Pb e, in alcuni casi, l’ossigeno può essere parzialmente sostituito da ioni metallici di raggio simile), presentano un reticolo cristallino caratterizzato dalla presenza di siti ottaedrici, bipiramidi trigonali e siti tetraedrici. Le ferriti esagonali sono ulteriormente classificate in sei tipi (M, W, Y, X, Z, U) e trovano impiego in applicazioni che spaziano dai magneti permanenti ai dispositivi di registrazione magnetica e archiviazione dati, nonché in componenti per dispositivi elettrici operanti in banda microonde.

Conclusioni

Le ferriti, grazie alle loro proprietà intrinseche e alla versatilità nella sintesi e nella modulazione della struttura, rappresentano uno dei gruppi di materiali magnetici più studiati e applicati. Dal loro utilizzo in dispositivi elettronici e di comunicazione, fino alle applicazioni in campo biomedico e nell’energia, questi materiali continuano a essere oggetto di approfonditi studi scientifici e tecnologici, contribuendo in maniera significativa all’innovazione nei settori della scienza dei materiali e dell’ingegneria applicata.