Diseñado un nuevo compuesto molecular con aplicaciones tecnológicas en la nanoescala

En el trabajo, en el que destaca la participación de la investigadora Elena Bartolomé, del Instituto de Ciencia de Materiales de Barcelona (ICMAB-CSIC), también participan equipos del Instituto de Química Teórica y Computacional de la UB (IQTCUB), el Instituto de Nanociencia y Materiales de Aragón (INMA/CSIC/UNIZAR), el Laboratorio Nacional de Alto Campo Magnético (National High Magnetic Field Laboratory), Estados Unidos) y la Universidad de Oxford (Reino Unido).

Refrigerantes magnéticos en la nanoescala

Los materiales bidimensionales (2D) son compuestos que aportan un rendimiento excepcional para diseñar heteroestructuras —la unión de diversos materiales con diferentes propiedades— o para dispositivos multifuncionales. Concretamente, el nuevo compuesto se basa en el gadolinio (Gd), un elemento químico del grupo de las tierras raras que tiene siete electrones desparejados y puede actuar como refrigerante magnético.

En el estudio, el equipo del Laboratorio de Nanociencia Molecular de la UB ha preparado un compuesto 2D de Gd(III). Este compuesto se presenta en forma de material masivo de tipo red reticular de cationes metálicos y ligandos orgánicos (metal-organic framework, MOF). Una particularidad de los compuestos de Gd(III) es que son activos en temperaturas extremadamente bajas.

«Este MOF es especial, ya que es bidimensional. Los MOFs 2D son equivalentes metaloorgánicos al grafeno y, como este compuesto, se pueden exfoliar en monocapas o en agregados de pocas monocapas en la escala nanométrica», detalla Carolina Sañudo, profesora del Departamento de Química Inorgánica y Orgánica de la UB.

En este compuesto, cada ion Gd(III) se comporta como si fuera una molécula imán (single molecule magnet, SMM). Como es un compuesto reticular 2D, cada monocapa es una retícula ordenada de SMMs. Además, presenta una alta entropía magnética y un efecto magnetocalórico (MCE) por el hecho de contener 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», destaca Elena Bartolomé, investigadora titular del ICMAB-CSIC.

En el artículo, el equipo ha logrado el crecimiento de nanocristales del compuesto en una superficie de silicio semiconductora, un paso decisivo para poder usar materiales moleculares en dispositivos para aplicaciones tecnológicas.

Las conclusiones del nuevo estudio indican que es posible utilizar los compuestos de gadolinio para el enfriamiento magnético en dispositivos. «No solo hemos podido nanoestructurar el material sobre un semiconductor, sino que hemos demostrado que el efecto magnetocalórico se mantiene en la nanoescala, y el nuevo compuesto puede funcionar como refrigerante magnético en superficie», apunta la investigadora Carolina Sañudo.

Los materiales reticulares 2D —o MOFs 2D— pueden tener aplicaciones potenciales en función del metal con el que se forman. En el caso del nuevo compuesto, se cumplen las dos propiedades: como molécula imán (SMM) y el efecto magnetocalórico (MCE). Los SMMs son moléculas imanes que pueden aplicarse como alternativas a la miniaturización del almacenamiento de información, donde cada molécula o ion Gd(III) actúa como un bit. El hecho de tener los SMMs perfectamente ordenados en 2D presenta muchas ventajas que el grupo de investigación quiere explotar en futuras líneas de investigación. En el ámbito de la refrigeración magnética, los nanocristales depositados sobre el semiconductor se pueden usar como refrigerantes superficiales en temperaturas criogénicas, una propiedad de interés para rebajar la temperatura en el interior de circuitos o dispositivos electrónicos.

Cabe destacar que desde 2020, el Laboratorio de Nanociencia Molecular de la UB trabaja con compuestos basados en elementos del grupo de las tierras raras, como el disprosio (Dy), el terbio (Tb) y el europio (Eu). Los compuestos de disprosio o de terbio son materiales reticulares 2D de moléculas imán. «Con terbio, europio o mezclas de terbio y europio también podemos obtener materiales altamente luminiscentes que se pueden utilizar como tintas de seguridad», concluye la investigadora de la UB.

Artículo de referencia:

Kumar, S., Gabarró, G. et al. «On-surface magnetocaloric effect for a van derWaals Gd(III) 2D MOF grown on Si†». Journal of Materials Chemistry A, febrero de 2024. . DOI: 10.1039/d3ta06648g