Spineller är oxider med kemiska formler av typen AB ₂ O ₄ , där A är en tvåvärd metallkatjon (positiv jon), B är en trevärd metallkatjon, och O är syre. Spinlar värderas för sin skönhet, som härrör från molekylernas rumsliga konfigurationer, men spineller där den trevärda katjonen B består av elementet krom (Cr) är intressanta av en anledning som inte har med estetik att göra:De har magnetiska egenskaper med ett överflöd av potentiella tekniska tillämpningar, inklusive gassensorer, läkemedelsbärare, datalagringsmedia, och komponenter i telekommunikationssystem.

En studie av brasilianska och indiska forskare undersökte en speciell typ av spinel:zinkdopad mangankromit. Nanopartiklar av detta material, beskrivs med formeln Mn _0,5 Zn _0,5 Cr ₂ O ₄ [där mangan (Mn) och zink (Zn) utgör A-platsens tvåvärda katjon], syntetiserades i laboratoriet och kännetecknades av beräkningar baserade på densitetsfunktionell teori (DFT), en metod som härrör från kvantmekanik som används i fysik och kemi i fast tillstånd för att lösa komplexa kristallstrukturer.

Materialets strukturella, elektronisk, vibrations- och magnetiska egenskaper bestämdes genom röntgendiffraktion, neutrondiffraktion, Röntgenfotoelektronspektroskopi och Raman-spektroskopi. En rapport om studien har publicerats i Journal of Magnetism and Magnetic Materials med titeln "Strukturell, elektronisk, vibrations- och magnetiska egenskaper hos Zn2+ substituerade MnCr2O4 -nanopartiklar. "

De brasilianska forskare som deltog i studien är anslutna till Center for Research and Development of Functional Material (CDMF), en av forskningen, Innovations- och spridningscentra (RIDC) som stöds av São Paulo Research Foundation — FAPESP.

En paramagnetisk-till-antiferromagnetisk fasövergång upprättades vid 19 kelvin (-254,15 Celsius). Paramagnetiska material lockas av ett yttre magnetfält eftersom deras atomer eller molekyler var och en har en elektron med ett oparat snurr. Magnetiska material har flera organiserade oparade elektroner, och den kumulativa effekten av dessa elektroner ger magnetisk attraktion. I antimagnetiska eller antiferromagnetiska material, snurr på alla elektroner är parade, så att för varje spin-up elektron, det finns en roterande elektron. Som ett resultat, de reagerar inte märkbart på närvaron av ett måttligt externt magnetfält.

"Vårt intresse för detta material beror på dess magnetiska egenskaper, "sa Elson Longo, en av författarna till studien. Longo är professor emeritus vid kemiavdelningen vid Federal University of São Carlos (UFSCar) i delstaten São Paulo, Brasilien, och CDMF:s huvudutredare.

"Konventionella studier överväger magnetiska egenskaper generellt, ur systemets synvinkel som helhet, medan vi har utvecklat en kvantmekanisk metod för att bestämma magnetiska egenskaper på grundval av morfologierna på ytorna på ett materials kristallstruktur, "Longo sa." Redan innan man syntetiserade något material, vi kan förutsäga dess magnetiska egenskaper teoretiskt. I detta specifika fall, vi förväntade oss att zinket främjar en ökning av ytan med magnetiska egenskaper, och detta gjorde, verkligen, hända."

Enligt Longo, att förstås ordentligt, en kristall bör övervägas på tre olika skalor. "På långt avstånd, vi har hela kristallen. På kort avstånd, vi har minsta möjliga grupp av atomer. På medeldistans, vi har två eller flera kluster som samverkar. Om ett kluster är perfekt beställt, det kommer inte att visa paramagnetiskt beteende, än mindre magnetiskt beteende, för varje spin-up elektron, det kommer att finnas en kompenserande spin-down elektron. Dock, om någon ändring görs - om de kemiska bindningsvinklarna ändras, till exempel - då kan oparade elektroner dyka upp, och materialet kan bli paramagnetiskt eller till och med magnetiskt, " han sa.

Denna störning kan också uppstå som ett resultat av medeldistansinteraktioner. Magnetism, därför, kan produceras genom förändringar på både korta och medellånga avstånd.

Samma material kan visa olika egenskaper beroende på variationer i vissa parametrar, vilket har att göra med hur materialet syntetiseras.

"CDMF genomför studier som koncentrerar sig på att identifiera mycket billiga material med bakteriedödande och fungicida egenskaper. En av applikationerna skulle vara tillverkning av förpackningar för att förlänga livsmedelsprodukters hållbarhet.

"Ett annat fokus är identifiering av oorganiska material med cancerframkallande egenskaper. En tredje forskningslinje syftar till att hitta fotodegraderingsmaterial som kan bryta ner organiska molekyler och omvandla dem till koldioxid och vatten. Dessa material kan användas för att sanera floder som är förorenade av föroreningar , "Sa Longo.