Nuevo compuesto bidimensional con aplicaciones tecnológicas en la nanoescala

Ha sido diseñado un nuevo compuesto 2D (bidimensional) que se basa en el gadolinio (Gd), el cual es un elemento químico que tiene la capacidad de generar un efecto magnetocalórico.

El nuevo compuesto tiene un especial interés en el ámbito del magnetismo molecular y en el diseño de dispositivos con aplicaciones tecnológicas en la nanoescala.

El nuevo compuesto 2D ha sido diseñado por un equipo liderado por el Laboratorio de Nanociencia Molecular de la Facultad de Química de la Universidad de Barcelona (UB).

El trabajo lo ha dirigido la profesora Carolina Sañudo, de la Facultad de Química y el Instituto de Nanociencia y Nanotecnología de la UB (IN2UB), e incluye gran parte de la investigación llevada a cabo por Subodh Kumar, estudiante del máster en Nanociencias de la UB, y el doctorando Guillem Gabarró, ambos coautores del estudio.

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 (armazón organometálico o MOF por sus siglas en inglés).

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 estudio, 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.

Fuente: Journal of Materials Chemistry A