La portada del nou número de la revista Journal of Materials Chemistry A està dedicada a un nou compost molecular que ha dissenyat un equip liderat pel Laboratori de Nanociència Molecular de la Facultat de Química de la Universitat de Barcelona (UB). El compost es basa en el gadolini -un element químic que té la capacitat de generar un efecte magnetocalòric- i té un especial interès en l'àmbit del magnetisme molecular i el disseny de dispositius amb aplicacions tecnològiques en la nanoescala.
El treball està dirigit per la professora Carolina Sañudo, de la Facultat de Química i lʼInstitut de Nanociència i Nanotecnologia (IN2UB) de la UB, i inclou bona part de la recerca duta a terme per Subodh Kumar, estudiant del màster en Nanociències de la UB, i pel doctorand Guillem Gabarró; ambdós, coautors també de l'article.
En el treball, en què destaca la participació de la investigadora Elena Bartolomé, de l'Institut de Ciència de Materials de Barcelona (ICMAB-CSIC), també hi participen equips de l'Institut de Química Teòrica i Computacional de la UB (IQTCUB), l'Institut de Nanociència i Materials d'Aragó (INMA, CSIC-UNIZAR), el Laboratori Nacional d'Alt Camp Magnètic (Estats Units) i la Universitat d'Oxford (Regne Unit).
Refrigerants magnètics en la nanoescala
Els materials bidimensionals (2D) són compostos que aporten un rendiment excepcional per dissenyar heteroestructures -unions de diversos materials amb diferents propietats- o dispositius multifuncionals. En concret, el nou compost es basa en el gadolini (Gd), un element químic del grup de les terres rares, que té set electrons desaparellats i pot actuar com a refrigerant magnètic.
En l'estudi, l'equip del Laboratori de Nanociència Molecular de la UB ha preparat un compost 2D de Gd(III). Aquest compost es presenta en forma de material massiu del tipus xarxa reticular de cations metàl·lics i lligands orgànics (metal-organic framework, MOF). Una particularitat dels compostos de Gd(III) és que són actius a temperatures extremament baixes.
"Aquest MOF és especial, ja que és bidimensional. Els MOFs 2D són equivalents metaloorgànics al grafè i, com aquest compost, es poden exfoliar en monocapes o en agregats de poques monocapes a l'escala nanomètrica", detalla Carolina Sañudo, professora del Departament de Química Inorgànica i Orgànica de la UB. En aquest compost, cada ió Gd(III) es comporta com si fos una molècula imant (single molecule magnet, SMM). Com que és un compost reticular 2D, cada monocapa és una retícula ordenada de SMMs. A més, presenta una alta entropia magnètica i efecte magnetocalòric (MCE) pel fet de contenir Gd(III).
"L'estudi d'aquests materials magnètics multifuncionals implica una tasca multidisciplinària en què la caracterització dels materials mitjançant diverses tècniques, com ara la magnetometria dc/ac, la calorimetria, la luminescència i el dicroisme circular magnètic de raigs X, és crucial", destaca Elena Bartolomé, investigadora titular de 'l'ICMAB-CSIC.
Segons l'article, l'equip ha aconseguit el creixement de nanocristalls del compost en una superfície de silici semiconductora, un pas decisiu per poder fer servir materials moleculars en dispositius per a aplicacions tecnològiques. Les conclusions del nou estudi indiquen que és possible emprar els compostos de gadolini per al refredament magnètic en dispositius. "No només hem pogut nanoestructurar el material sobre un semiconductor, sinó que hem demostrat que 'l'efecte magnetocalòric es manté en la nanoescala i el nou compost pot funcionar com a refrigerant magnètic en superfície", apunta la investigadora Carolina Sañudo.
Els materials reticulars 2D -o MOFs 2D- poden tenir aplicacions potencials en funció del metall amb què es formen. En el cas del nou compost, es compleixen les dues propietats: com a molècula imant (SMM) i l'efecte magnetocalòric (MCE). Els SMMs són molècules imants que es poden aplicar com a alternatives a la miniaturització de 'l''emmagatzematge d''informació, on cada molècula o ió Gd(III) actua com un bit. El fet de tenir els SMMs perfectament ordenats en 2D presenta molts avantatges, que el grup de recerca vol explotar en futures línies de recerca. En 'l'àmbit de la refrigeració magnètica, els nanocristalls dipositats sobre el semiconductor es poden fer servir com a refrigerants superficials a temperatures criogèniques, una propietat d'interès per rebaixar la temperatura a l'interior de circuits o dispositius electrònics.
Cal destacar que, des del 2020, el Laboratori de Nanociència Molecular de la UB treballa amb compostos basats en elements del grup de les terres rares, com el disprosi (Dy), el terbi (Tb) i l'europi (Eu). Els compostos de disprosi o terbi són materials reticulars 2D de molècules imant. Amb terbi, europi o barreges de terbi i europi també podem obtenir materials altament luminescents, que es poden fer servir com si fossin tintes de seguretat", conclou la investigadora de la UB.
Article de referència:
Kumar, S.ubodh, Gabarró, Guillem, et al. "On-surface magnetocaloric effect for a van derWaals Gd(III) 2D MOF grown on Sit". Journal of Materials Chemistry A, febrer de 2024. DOI: 10.1039/d3ta06648g.
