Un equipo liderado por el Laboratorio de Nanociencia Molecular de la Facultad de Química de la Universidad de Barcelona ha diseñado un nuevo compuesto molecular basado en gadolinio (Gd), un elemento químico capaz de generar un efecto magnetocalórico, de especial interés en este campo del magnetismo molecular y en el diseño de dispositivos con aplicaciones tecnológicas a nanoescala.
El artículo, publicado en el Journal of Materials Chemistry A , está escrito por la profesora Carolina Sañudo, de la Facultad de Química y del Instituto de Nanociencia y Nanotecnología (IN2UB) de la UB, e incluye gran parte de la investigación llevada a cabo por Subodh Kumar, estudiante del máster en Nanociencias de la UB, y Ph. D. estudiante Guillem Gabarró, ambos coautores del artículo.
Los materiales bidimensionales (2D) son compuestos que brindan un rendimiento excepcional para diseñar heteroestructuras (la unión de diferentes materiales con diferentes propiedades) o para dispositivos multifuncionales. En concreto, el nuevo compuesto se basa en gadolinio (Gd), un elemento químico de tierras raras que tiene siete electrones desapareados y puede actuar como refrigerante magnético.
En el estudio, el equipo del Laboratorio de Nanociencia Molecular de la UB ha preparado un composite 2D(III). Este compuesto se presenta en forma de un material reticular masivo de cationes metálicos y ligandos orgánicos (estructura metalorgánica, MOF). Una particularidad de los compuestos de Gd(III) es que son activos a temperaturas extremadamente bajas.
"Este MOF es especial porque es bidimensional. Los MOF 2D son equivalentes metal-orgánicos al grafeno y, al igual que este compuesto, pueden exfoliarse en monocapas o en agregados de unas pocas monocapas a escala nanométrica", afirma Carolina Sañudo. profesor del Departamento de Química Inorgánica y Orgánica de la UB.
En este compuesto, cada ion Gd(III) se comporta como si fuera un imán de una sola molécula (SMM). Como se trata de un compuesto de red 2D, cada monocapa es una red ordenada de SMM. Además, tiene una alta entropía magnética y un efecto magnetocalórico (MCE) debido a que contiene Gd(III).
“El estudio de estos materiales magnéticos multifuncionales implica una tarea multidisciplinar donde la caracterización de los materiales mediante diversas técnicas, como la magnetometría dc/ac, la calorimetría, la luminiscencia y el dicroísmo circular magnético de rayos X, es crucial”, señala Elena Bartolomé, investigadora de ICMAB-CSIC.
En el artículo, el equipo logró hacer crecer nanocristales del compuesto en una superficie de silicio semiconductor, un paso decisivo hacia la posibilidad de utilizar materiales moleculares en dispositivos para aplicaciones tecnológicas.
Los hallazgos del nuevo estudio indican que es posible utilizar compuestos de gadolinio para el enfriamiento magnético de dispositivos. "No sólo hemos conseguido nanoestructurar el material sobre un semiconductor, sino que hemos demostrado que el efecto magnetocalórico se mantiene a nanoescala, y el nuevo compuesto puede funcionar como refrigerante de la superficie magnética", afirma la investigadora Carolina Sañudo.
Los materiales reticulares bidimensionales (o MOF 2D) tienen aplicaciones potenciales dependiendo del metal con el que estén formados. El nuevo compuesto tiene dos propiedades clave:es una molécula magnética (SMM) y exhibe el efecto magnetocalórico (MCE). Los SMM son moléculas magnéticas que pueden aplicarse como alternativas a la miniaturización del almacenamiento de información, donde cada molécula o ion de Gd(III) actúa como un bit.
Tener los SMM perfectamente ordenados en 2D presenta muchas ventajas que el grupo de investigación quiere explotar en futuras líneas de investigación. En el campo de la refrigeración magnética, los nanocristales depositados sobre el semiconductor se pueden utilizar como refrigerantes de superficie a temperaturas criogénicas, propiedad de interés para bajar la temperatura en el interior de circuitos o dispositivos electrónicos.
Desde 2020, el Laboratorio de Nanociencia Molecular de la UB trabaja con compuestos basados en elementos de tierras raras, como el disprosio (Dy), el terbio (Tb) y el europio (Eu). "Los compuestos de disprosio o terbio son materiales reticulares 2D de moléculas magnéticas. Con terbio, europio o mezclas de terbio y europio también podemos obtener materiales altamente luminiscentes que pueden usarse como tintas de seguridad", concluye Sañudo.
Más información: Subodh Kumar et al, Efecto magnetocalórico en la superficie para un MOF 2D de van der Waals Gd(iii) cultivado en Si, Journal of Materials Chemistry A (2024). DOI:10.1039/D3TA06648G
Información de la revista: Revista de Química de Materiales A
Proporcionado por la Universidad de Barcelona
