Ett team ledd av Laboratory of Molecular Nanoscience vid fakulteten för kemi vid universitetet i Barcelona har designat en ny molekylär förening baserad på gadolinium (Gd), ett kemiskt element som kan generera en magnetokalorisk effekt, som är av särskilt intresse inom området av molekylär magnetism och i design av enheter med tekniska tillämpningar på nanoskala.
Uppsatsen, publicerad i Journal of Materials Chemistry A , är författad av professor Carolina Sañudo, från UB:s fakultet för kemi och Institute of Nanoscience and Nanotechnology (IN2UB), och inkluderar mycket av forskningen som utförs av Subodh Kumar, en student vid UB:s magisterexamen i nanovetenskap, och Ph. D. student Guillem Gabarró, båda medförfattare till tidningen.
Tvådimensionella (2D) material är sammansättningar som ger exceptionell prestanda för att designa heterostrukturer – sammanfogning av olika material med olika egenskaper – eller för multifunktionella enheter. Närmare bestämt är den nya föreningen baserad på gadolinium (Gd), ett sällsynt jordartsmetall som har sju oparade elektroner och kan fungera som ett magnetiskt köldmedium.
I studien har teamet från UB:s Laboratory of Molecular Nanoscience förberett en 2D(III)-komposit. Denna förening presenteras i form av ett massivt material av gittertyp av metallkatjoner och organiska ligander (metall-organisk ram, MOF). En speciell egenskap hos Gd(III)-föreningar är att de är aktiva vid extremt låga temperaturer.
"Denna MOF är speciell eftersom den är tvådimensionell. 2D MOF:erna är metallorganiska ekvivalenter till grafen och kan, precis som denna förening, exfolieras i monolager eller i aggregat av några monolager på nanometerskala", säger Carolina Sañudo, professor vid UB:s institution för oorganisk och organisk kemi.
I denna förening beter sig varje Gd(III)-jon som om den vore en enda molekylmagnet (SMM). Eftersom det är en 2D-gitterförening är varje monolager ett ordnat gitter av SMM. Dessutom har den en hög magnetisk entropi och en magnetokalorisk effekt (MCE) på grund av att den innehåller Gd(III).
"Studien av dessa multifunktionella magnetiska material involverar en multidisciplinär uppgift där karakteriseringen av materialen med olika tekniker, såsom dc/ac magnetometri, kalorimetri, luminescens och röntgenmagnetisk cirkulär dikroism, är avgörande", konstaterar Elena Bartolomé, forskare vid ICMAB-CSIC.
I uppsatsen har teamet lyckats odla nanokristaller av föreningen på en halvledande kiselyta, ett avgörande steg mot att kunna använda molekylära material i enheter för tekniska tillämpningar.
Resultaten av den nya studien indikerar att det är möjligt att använda gadoliniumföreningar för magnetisk kylning i enheter. "Vi har inte bara kunnat nanostrukturera materialet på en halvledare, utan vi har visat att den magnetokaloriska effekten bibehålls på nanoskala, och den nya föreningen kan fungera som ett magnetiskt ytkylmedel", säger forskaren Carolina Sañudo.
Tvådimensionella gittermaterial - eller 2D MOFs - har potentiella tillämpningar beroende på vilken metall de är utformade med. Den nya kompositen har två nyckelegenskaper:den är en magnetmolekyl (SMM) och uppvisar den magnetokaloriska effekten (MCE). SMM är magnetmolekyler som kan användas som alternativ till miniatyrisering av informationslagring, där varje Gd(III)-molekyl eller -jon fungerar som en bit.
Att ha SMM:erna perfekt ordnade i 2D ger många fördelar som forskargruppen vill utnyttja i framtida forskningslinjer. Inom området för magnetisk kylning kan nanokristallerna avsatta på halvledaren användas som ytkylmedel vid kryogena temperaturer, en egenskap av intresse för att sänka temperaturen inuti elektroniska kretsar eller enheter.
Sedan 2020 har UB Molecular Nanoscience Laboratory arbetat med föreningar baserade på sällsynta jordartsmetaller, såsom dysprosium (Dy), terbium (Tb) och europium (Eu). "Dysprosium- eller terbiumföreningar är 2D-gittermaterial av magnetmolekyler. Med terbium, europium eller blandningar av terbium och europium kan vi också få mycket självlysande material som kan användas som säkerhetsbläck", avslutar Sañudo.
Mer information: Subodh Kumar et al, On-surface magnetocaloric effect for a van der Waals Gd(iii) 2D MOF grown on Si, Journal of Materials Chemistry A (2024). DOI:10.1039/D3TA06648G
Journalinformation: Journal of Materials Chemistry A
Tillhandahålls av University of Barcelona
