Investigadores de la Universidad de Minnesota lograron fabricar cristales semiconductores de alta calidad a partir de minerales de hierro con impurezas, sin incorporar etapas adicionales de purificación. El descubrimiento abre posibilidades para desarrollar materiales destinados a paneles solares, baterías y dispositivos electrónicos.
Un equipo de investigadores de la Universidad de Minnesota, Estados Unidos, consiguió transformar mineral de hierro de baja pureza en cristales de pirita con propiedades semiconductoras, mediante un procedimiento que podría facilitar el desarrollo de materiales electrónicos a partir de recursos minerales abundantes. El avance, publicado el 13 de agosto de 2026 en la revista científica Physical Review Applied, demuestra que es posible obtener un semiconductor de alta calidad sin partir de materias primas sometidas a los exigentes procesos de purificación habitualmente utilizados en esta industria.
La investigación se concentró en la pirita, un mineral compuesto por hierro y azufre cuya fórmula química es FeS₂. Conocida popularmente como “el oro de los tontos” por su brillo metálico y su parecido visual con el oro, posee propiedades eléctricas y ópticas que desde hace décadas despiertan interés para aplicaciones tecnológicas.
El trabajo fue dirigido por el profesor Chris Leighton, del Departamento de Ingeniería Química y Ciencia de Materiales de la Universidad de Minnesota, junto con el investigador Yeon Lee y especialistas del Instituto de Investigación de Recursos Naturales de la misma institución.
Los resultados abren una posibilidad para la industria minera: utilizar concentrados de hierro como materia prima para producir materiales semiconductores de mayor valor agregado.
De mineral de hierro con impurezas a cristales semiconductores
Uno de los principales obstáculos para fabricar materiales semiconductores es la presencia de impurezas, que pueden alterar el comportamiento eléctrico y reducir el rendimiento de los dispositivos.
Por esta razón, numerosos procesos industriales requieren materias primas de alta pureza y un control estricto de la composición química.
Los investigadores decidieron comprobar si era posible obtener pirita de calidad electrónica utilizando directamente minerales de hierro procedentes de las explotaciones de Minnesota.
El equipo analizó tres tipos de materias primas y encontró que el material más favorable era un concentrado de taconita de grado para reducción directa, un producto vinculado a la importante industria del hierro de ese estado estadounidense.
Los experimentos también consideraron materias primas basadas en hematita y magnetita.
El procedimiento desarrollado incluyó tres etapas fundamentales:
- Reducción del mineral: transformación de los óxidos de hierro para obtener hierro metálico.
- Sulfuración: incorporación de azufre para producir disulfuro de hierro, correspondiente a la composición química de la pirita.
- Crecimiento cristalino: utilización de transporte químico en fase vapor para obtener cristales de pirita con propiedades semiconductoras.
La principal sorpresa surgió durante la evaluación de los materiales obtenidos.
A pesar de utilizar materias primas con concentraciones importantes de impurezas, el equipo consiguió fabricar cristales cuyas propiedades eléctricas eran comparables a las de muestras elaboradas mediante reactivos de alta pureza.
El proceso no requirió incorporar etapas adicionales de purificación.
Por qué las impurezas no impidieron fabricar el semiconductor
La investigación identificó dos mecanismos que ayudan a explicar los resultados.
El primero está relacionado con la respuesta de la pirita frente a determinados elementos presentes en los minerales.
A diferencia de otros materiales semiconductores, relativamente pocos elementos son capaces de modificar de manera eficiente sus propiedades eléctricas mediante un fenómeno conocido como dopaje.
Esto significa que la presencia de ciertas impurezas no necesariamente produce alteraciones importantes en la concentración de portadores de carga.
El segundo mecanismo corresponde a un efecto de purificación que ocurre durante el propio procesamiento.
Los investigadores comprobaron que las etapas de sulfuración y crecimiento cristalino permiten reducir la presencia de diversos elementos no deseados.
Mediante análisis de elementos traza y parámetros termodinámicos, el equipo identificó cómo estas transformaciones contribuyen a mejorar la calidad del material final.
Leighton explicó que los resultados cuestionaron la necesidad de utilizar exclusivamente materias primas de elevada pureza para fabricar pirita semiconductora.
La combinación de una menor sensibilidad a determinadas impurezas y la purificación durante el procesamiento permitió obtener cristales de calidad electrónica a partir de mineral comercial.
Los resultados eléctricos que respaldan el descubrimiento
El estudio incorporó mediciones de transporte eléctrico para evaluar la calidad de los cristales sintetizados.
Entre los resultados más relevantes se encuentra una concentración de electrones de hasta niveles tan bajos como 10¹⁶ por centímetro cúbico, determinada mediante mediciones del efecto Hall a temperatura ambiente.
Las muestras también alcanzaron movilidades electrónicas superiores a 100 centímetros cuadrados por voltio-segundo.
Esta última propiedad describe la facilidad con la que los electrones pueden desplazarse a través de un material cuando se aplica un campo eléctrico.
Los valores obtenidos se aproximaron a los registrados en cristales de pirita producidos con reactivos de alta pureza.
La pirita también presenta una banda prohibida de aproximadamente 1 electrón-voltio (eV), característica que influye en su capacidad para absorber luz y participar en procesos electrónicos.
Estas propiedades explican su interés como posible material absorbente para tecnologías fotovoltaicas.
Sin embargo, las mediciones se realizaron sobre cristales sintetizados en condiciones de investigación. No demuestran todavía que el procedimiento pueda producir dispositivos comerciales a gran escala ni que resulte económicamente competitivo frente a otras tecnologías.
Paneles solares, baterías y nuevas aplicaciones
Una de las aplicaciones potenciales más relevantes de la pirita es la fabricación de materiales destinados a convertir energía solar en electricidad.
El mineral presenta una elevada capacidad de absorción de luz visible, una característica favorable para los dispositivos fotovoltaicos.
Además, está compuesto por hierro y azufre, dos elementos ampliamente disponibles en la naturaleza.
Esta combinación podría ofrecer ventajas frente a determinadas tecnologías que dependen de materiales más costosos o de cadenas de suministro especializadas.
No obstante, la utilización de pirita en paneles solares enfrenta dificultades conocidas desde hace décadas.
Las investigaciones desarrolladas durante los años ochenta no consiguieron superar aproximadamente un 3% de eficiencia de conversión energética en dispositivos basados en este material.
Posteriormente, nuevos estudios identificaron problemas asociados a las propiedades eléctricas de las superficies, los defectos cristalinos y la separación de las cargas generadas por la luz.
Por lo tanto, fabricar cristales de alta calidad constituye un avance relevante, pero no resuelve por sí solo todos los obstáculos para obtener celdas solares eficientes.
Los investigadores también identifican posibles aplicaciones en baterías, dispositivos electrónicos y tecnologías relacionadas con el tratamiento de agua.
Estas alternativas deberán evaluarse mediante experimentos específicos antes de establecer su viabilidad comercial.
Minnesota y el potencial de agregar valor a la producción minera
El origen de las materias primas constituye otro aspecto de interés industrial.
Minnesota concentra una parte sustancial de la producción estadounidense de mineral de hierro. Su industria está estrechamente vinculada a la explotación y procesamiento de taconita en la región conocida como Mesabi Iron Range.
De acuerdo con la Universidad de Minnesota, el estado representa aproximadamente el 75% de la producción nacional de mineral de hierro, una actividad que genera más de US$4.000 millones anuales.
Tradicionalmente, estos recursos se destinan principalmente a abastecer la industria siderúrgica.
La posibilidad de utilizarlos también como materia prima para fabricar materiales semiconductores permitiría explorar nuevas cadenas de valor relacionadas con electrónica, energía y tecnologías avanzadas.
Para países productores de minerales, como Chile, el estudio plantea una línea de investigación sobre el aprovechamiento tecnológico de recursos abundantes.
Sin embargo, los experimentos se realizaron con minerales procedentes de Minnesota. No se ha demostrado que cualquier mineral de hierro pueda utilizarse con los mismos resultados, ni se ha anunciado un proyecto de producción comercial asociado a esta tecnología en Chile.
La composición de cada yacimiento, las concentraciones de impurezas y los costos del procesamiento serán factores relevantes para determinar si el procedimiento puede aplicarse a otras materias primas.
El próximo desafío será fabricar películas delgadas
Tras obtener resultados favorables con cristales de pirita, el equipo científico pretende ampliar las investigaciones hacia otras variedades de mineral de hierro.
También busca avanzar desde la producción de cristales volumétricos hacia la fabricación de películas delgadas, estructuras utilizadas habitualmente en dispositivos fotovoltaicos y electrónicos.
Este desarrollo será importante para determinar si las propiedades obtenidas en el laboratorio pueden mantenerse en materiales con geometrías y dimensiones apropiadas para dispositivos funcionales.
Los investigadores deberán estudiar además el comportamiento de las interfaces, los defectos superficiales y la integración del semiconductor con otros componentes.
Otro aspecto pendiente es comprobar la posibilidad de aumentar la escala de producción, junto con evaluar sus costos, consumo energético e impacto ambiental.
Aunque los materiales utilizados son abundantes y relativamente económicos, todavía no existe una evaluación industrial que permita asegurar que su fabricación resulte más barata o sostenible que las alternativas disponibles.
El estudio fue financiado por el Minnesota Environment and Natural Resources Trust Fund y contó con la colaboración de instalaciones especializadas en caracterización y nanotecnología de la Universidad de Minnesota.
El resultado principal ya está demostrado experimentalmente: es posible fabricar pirita de calidad semiconductora a partir de mineral de hierro de baja pureza, aprovechando procesos que eliminan parte de las impurezas durante la síntesis.
Su importancia radica en abrir una nueva ruta de investigación para transformar recursos minerales tradicionales en materiales tecnológicos. El siguiente desafío será comprobar si estos cristales pueden convertirse en componentes eficientes, reproducibles y competitivos para aplicaciones industriales.
REDIMIN Responde
¿Qué logro alcanzaron los investigadores de la Universidad de Minnesota con minerales de hierro?
Lograron fabricar cristales semiconductores de alta calidad a partir de minerales de hierro con impurezas, sin necesidad de etapas adicionales de purificación.
¿Qué mineral específico utilizaron los investigadores para crear semiconductores?
Utilizaron pirita, un mineral compuesto por hierro y azufre, conocido por sus propiedades eléctricas y ópticas.
¿Qué etapas fundamentales incluyó el procedimiento desarrollado para obtener cristales de pirita?
El procedimiento incluyó la reducción del mineral para obtener hierro metálico, la sulfuración para producir disulfuro de hierro, y el crecimiento cristalino mediante transporte químico en fase vapor.
¿Qué propiedades eléctricas destacaron en los cristales sintetizados?
Los cristales sintetizados presentaron una concentración de electrones de hasta 10¹⁶ por centímetro cúbico y movilidades electrónicas superiores a 100 centímetros cuadrados por voltio-segundo.
¿Cuáles son algunas de las aplicaciones potenciales de la pirita mencionadas en la investigación?
La pirita podría usarse en la fabricación de materiales para paneles solares, baterías, dispositivos electrónicos y tecnologías relacionadas con el tratamiento de agua.
