Un equip liderat per investigadores de ICMAB-CSIC i la Universitat de Barcelona (UB) ha dissenyat un nou compost molecular basat en el gadolini, que obre noves fronteres a la refrigeració magnètica. És d'especial interès en l'àmbit del magnetisme molecular i el disseny de dispositius amb aplicacions tecnològiques a la nanoescala.
Els futurs dispositius, com els que s'estan desenvolupant per a computació quàntica i emmagatzematge d'informació d'alta densitat, necessiten treballar a temperatures criogèniques, per sota dels 100 graus C. El gadolini (Gd), a la imatge, és un element químic del grup de les terres rares, que pot actuar com a refrigerant magnètic a temperatures extremadament baixes. Imatge: Wkimedia
Els dispositius electrònics que ens acompanyaran els anys futurs seran cada vegada més petits i potents. A més, alguns, com els que s'estan desenvolupant per a la computació quàntica i l'emmagatzematge d'informació d'alta densitat, necessiten treballar a temperatures criogèniques. Per tant, caldrà sistemes de refrigeració que mantinguin els xips a les temperatures de funcionament i que puguin treballar a les escales diminutes, nanomètriques, dels nous dispositius.
Una de les opcions que s'exploren actualment són els materials amb efecte magnet calòric, que són capaços de refrigerar quan són exposats a camps magnètics. Un material conegut per tenir aquest efecte és el gadolini (Gd), un element químic del grup de les terres rares, que pot actuar com a refrigerant magnètic a temperatures extremadament baixes.
D'altra banda, les estructures metal·loorgàniques MOF (de l'anglès Metal-Organic Frameworks) són materials moleculars, en els quals els seus components (ions metàl·lics) es troben entrellaçats mitjançant lligands orgànics per formar una mena de carcassa, en dues o tres dimensions. Els MOF basats en lantànids destaquen per la seva versatilitat per a la preparació de materials amb propietats magnètiques, elèctriques i òptiques per a una gran varietat d'aplicacions.
"La investigació d'aquest tipus de compostos metal·loorgànics multifuncionals implica un enfocament multidisciplinari, on la caracterització dels materials a través d'una sèrie de tècniques que inclouen magnetometria, calorimetria, luminescència i dicroisme circular magnètic de raigs X és crucial", subratlla Elena Bartolomé, científica titular del Departament de Materials Moleculars Inorgànics i Híbrids Intel·ligents de l'Institut de Ciència de Materials de Barcelona del CSIC (ICMAB-CSIC).
Un equip liderat per investigadores de l'ICMAB-CSIC i de la Universitat de Barcelona (UB) ha preparat i caracteritzat completament un nou MOF bidimensional basat en gadolini (Gd).
En aquest compost, cada ió de gadolini es comporta com si fos una molècula imantada. Com que es tracta d'un compost reticular en dues dimensions, cada monocapa forma una matriu ordenada d'imants mononuclears (o SMM, de l'anglès “single molecular magnet”).
Els SMM ofereixen perspectives prometedores per a l'emmagatzematge d'informació on cada ió de Gd(III) actua com un bit. A més, a causa de la presència d'aquest element, el compost presenta un elevat efecte magnetocalòric, cosa que equival a una gran capacitat de refrigeració.
"Aquest MOF és especial, ja que és bidimensional. Els MOF bidimensionals són els equivalents metal·loorgànics del grafè i, al igual que aquest últim, es poden exfoliar en monocapes o agregats de poques monocapes a escala nanomètrica", explica Carolina Sañudo, professora del Departament de Química Inorgànica i Orgànica de la UB.
L'equip internacional que ha desenvolupat aquest treball està format per la Dra. Elena Bartolomé (ICMAB-CSIC), la Dra. Carolina Sañudo (UB), Guillem Gabarro Riera i Subodh Kumar (ambdós de la UB), el Dr. Jesus Jover (Institut de Química Teòrica i Computacional de la UB), el Dr. Juan Rubio-Zuazo (de l’ European Synchrotron Radiation Facility i de l’Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid), el Prof. Stephen Hill (National High Magnetic Field Laboratory, Tallahassee, EUA), i el Prof. Lapo Bogani (Universidad de Oxford).
En la investigació, l'equip ha aconseguit el creixement de nanocristalls del compost en una superfície de silici semiconductor, un pas decisiu per poder utilitzar materials moleculars en dispositius per a aplicacions tecnològiques. En el camp de la refrigeració magnètica, els nanocristalls dipositats sobre el semiconductor es poden utilitzar com a refrigerants superficials a temperatures molt baixes, una propietat d'interès per reduir la temperatura a l'interior de circuits o dispositius electrònics.
Les conclusions del nou estudi indiquen que és possible utilitzar compostos de gadolini per a la refrigeració magnètica en dispositius, no només perquè es pot dipositar el material nano estructurat sobre un semiconductor, sinó perquè l'efecte magnetocalòric es manté a la nano escala i el nou compost pot funcionar com refrigerant magnètic a la superfície.
Article de referència:
Kumar, S., Gabarró-Riera, G., Arauzo, A. Hrubý, J., Hill, S., Bogani, L., Rubio-Zuazo, J., Jover, J., Bartolomé, E., Sañudo, C. (2024) «On-surface magnetocaloric effect for a van derWaals Gd(III) 2D MOF grown on Si». Journal of Materials Chemistry A. 12(11), 6269-6279. https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2024/ta/d3ta06648g