Molècules magnètiques en superfície: avenços i reptes en nanociència molecular
En el camp del magnetisme molecular, el disseny de dispositius amb aplicacions tecnològiques en la nanoescala (computació quàntica, espintrònica molecular, refrigeració magnètica, nanomedicina, emmagatzematge dʼinformació dʼalta densitat, etc.) exigeix que les molècules magnètiques que es dipositen en superfície conservin lʼestructura, la funcionalitat i les propietats. Ara, un article publicat a la revista Coordination Chemistry Reviews examina els coneixements més actuals sobre els processos de deposició i organització de les molècules magnètiques en superfície (nanoestructuració), un procés determinant per al progrés de les tecnologies que impliquen una miniaturització dels enginys i un funcionament més eficient en dimensions nanomètriques.
En el camp del magnetisme molecular, el disseny de dispositius amb aplicacions tecnològiques en la nanoescala (computació quàntica, espintrònica molecular, refrigeració magnètica, nanomedicina, emmagatzematge dʼinformació dʼalta densitat, etc.) exigeix que les molècules magnètiques que es dipositen en superfície conservin lʼestructura, la funcionalitat i les propietats. Ara, un article publicat a la revista Coordination Chemistry Reviews examina els coneixements més actuals sobre els processos de deposició i organització de les molècules magnètiques en superfície (nanoestructuració), un procés determinant per al progrés de les tecnologies que impliquen una miniaturització dels enginys i un funcionament més eficient en dimensions nanomètriques.
El treball descriu lʼescenari global del progrés de la recerca en aquest àmbit del coneixement, i proposa noves vies dʼactuació per avançar en lʼorganització en dues dimensions (2D) de les molècules magnètiques, amb vista a la seva aplicació tecnològica. Està signat pels investigadors Carolina Sañudo, Guillem Gabarró-Riera i Guillem Aromí, del Grup de Magnetisme i Molècules Funcionals de la Facultat de Química i lʼInstitut de Nanociència i Nanotecnologia (IN2UB) de la Universitat de Barcelona.
Lʼarticle inclou també recomanacions per triar el millor mètode de deposició per a cada molècula i una revisió de les superfícies emprades en aquests processos, a més de guies de caracterització efectiva i perspectives de futur basades en els materials bidimensionals. Així mateix, els autors aporten una perspectiva crítica de com, en un futur pròxim, els sistemes moleculars es podrien arribar a aplicar en dispositius de manera efectiva, per obtenir una tecnologia més ràpida i amb menys consum energètic que lʼactual.
Nanociència molecular i materials magnètics
En el procés per seleccionar el millor mètode de deposició en superfície per a cada molècula magnètica, cal considerar cada molècula en particular i la seva estructura, així com la superfície i la seva estructura. «La selecció del millor mètode depèn del sistema, però sempre serà possible trobar una combinació adequada per dipositar els sistemes moleculars», detalla la professora Carolina Sañudo, del Departament de Química Inorgànica i Orgànica de la UB.
«Els protocols varien en cada cas; el primer pas és determinar les característiques desitjades de la superfície», continua. «Per exemple, si volem estudiar lʼespintrònica, necessitarem una superfície conductora. Un cop determinada la superfície i la seva naturalesa, és primordial determinar lʼanisotropia de forma de la molècula mentre nʼobservem lʼestructura cristal·lina, les propietats (es pot sublimar?, es pot dissoldre?, en quins solvents?) i els possibles punts dʼancoratge (té grups funcionals que permetin la quimisorció? Si no en té, quines opcions de fisisorció presenta?). Quan tinguem tots aquests detalls, podrem dissenyar un protocol de deposició. Per exemple, si la nostra molècula té un grup amb sofre disponible, la podrem ancorar per quimisorció a una superfície dʼor (Au). Si la molècula és sublimable, ho podrem fer per evaporació», conclou.
Dispositius electrònics més petits i eficients
La síntesi de noves molècules amb millors propietats és un procés imparable, «però lʼestabilitat no sempre va de la mà de les propietats magnètiques. Ara mateix, la molècula amb temperatura de bloqueig T (per sota de la qual la molècula es comporta com un imant) més elevada és extremament inestable. En concret, és un compost organometàl·lic, i això fa molt complicat (o impossible) la seva deposició en superfície o el seu ús en un dispositiu tecnològic».
Per millorar el disseny de molècules magnètiques i obtenir processos més eficients de deposició en superfícies, cal millorar lʼestabilitat dels nous imants monomoleculars (SMM) organometàl·lics, si es volen emprar de manera efectiva. Dʼaltra banda, molècules magnètiques que són pitjors SMM o que són bits quàntics (qbits), o molècules que presenten transició electrònica permesa per spin, tenen característiques que en fan molt difícil lʼús (per manca dʼanisotropia en la seva forma o per múltiples grups funcionals dʼancoratge que fan possibles diverses disposicions de la molècula a la superfície).
«Per evitar-ho, és necessari avançar en lʼorganització de molècules 2D. Per exemple, formant materials de tipus organometàl·lic (MOF) en dues dimensions, en què el node sigui la molècula en qüestió, i dipositant-hi les nanocapes que ja estan ordenades implícitament en una superfície. Un MOF 2D, en què cada node és un qbit, ens permetria obtenir una matriu de qbits ordenats en una superfície. Aquest és un repte molt important, i alguns grups com el nostre hi estan treballant», detalla la investigadora.
Reduir el consum energètic dels dispositius tecnològics és una altra fita que persegueix la tecnologia de deposició en superfície. «Els enginys dissenyats —prossegueix la investigadora— podrien tenir un consum dʼenergia molt baix si sʼaconseguís un dispositiu que permetés guardar informació en SMM, o bé emprar qbits en una matriu 2D perfectament ordenat, o bé un sistema amb molècules amb transició electrònica permesa per spin en una superfície per espintrònica molecular. A més, serien més ràpids i miniaturitzats que els dispositius actuals».
En aquest àmbit del coneixement, la síntesi de compostos inorgànics ha generat molècules imant que poden funcionar a temperatures al voltant del nitrogen líquid, «i això ha estat un gran avenç», apunta la investigadora. Les tecnologies com la microscòpia dʼefecte túnel (STM) i la microscòpia de forces atòmiques (AFM) amb puntes funcionalitzades són les tècniques que han permès identificar la posició de les molècules en superfície. En concret, lʼAFM amb puntes funcionalitzades es pot convertir en una tècnica molt útil per caracteritzar molècules en superfície.
«La descoberta que una capa dʼòxid de magnesi (MgO) de pocs nanòmetres que desacopli la molècula de la superfície és necessària per poder mantenir les propietats moleculars una vegada dipositada la molècula és un dels grans avenços en aquest àmbit. També cal destacar el recobriment de grans àrees de superfície per monocapes de molècules amb un elevat percentatge dʼordre, ja que la disposició de la molècula a la superfície de diverses maneres pot donar lloc a interaccions diferents i, per tant, fer que no totes les molècules mantinguin les seves propietats. Aquests dos punts són determinants per al futur desenvolupament de dispositius basats en lʼús de molècules dipositades en superfícies», assegura Carolina Sañudo.
Molècules magnètiques: reptes de futur
Ara com ara, lʼobtenció de SMM a temperatures elevades o la síntesi de qbits amb constants de relaxació (T1) i temps de coherència (T2) més prolongats que facilitin lʼús en dispositius és un gran repte per als químics. Poder obtenir grans àrees recobertes de monocapes de molècules iguals i ordenades representarà també un progrés molt rellevant, i aquest és un repte que inclou la caracterització. Per això, lʼaplicació de tècniques amb llum de sincrotró (com ara GIXRD, HAXPES i XMCD) serà fonamental.
«Per poder assolir aquest ordre de les molècules a la superfície, en el Grup de Magnetisme i Molècules Funcionals ens plantegem fer servir MOF 2D, és a dir, polímers de coordinació que sʼestenen en dues dimensions i que estan formats per capes extremament primes apilades per forces de Van der Waals. El nostre equip investigador també vol abordar altres reptes, com ara mesurar els temps de relaxació T1 i T2 per a un qbit dipositat en superfície i comprovar que mantenen (o milloren!) els valors mesurats», conclou la investigadora.
Article de referència:
Gabarró-Riera, G.; Guillem Aromí, G.; Sañudo, C. «Magnetic molecules on surfaces: SMMs and beyond». Coordination Chemistry Reviews, octubre de 2022. DOI: 10.1016/j.ccr.2022.214858