Forskere producerer en magnetisk nanokrystal med mange potentielle anvendelser

Spineller er oxider med kemiske formler af typen AB ₂ O ₄ , hvor A er en divalent metalkation (positiv ion), B er en trivalent metalkation, og O er oxygen. Spineller er værdsat for deres skønhed, som stammer fra molekylernes rumlige konfigurationer, men spineller, hvori den trivalente kation B består af grundstoffet krom (Cr), er interessante af en grund, der ikke har noget med æstetik at gøre:De har magnetiske egenskaber med en overflod af potentielle teknologiske anvendelser, inklusive gassensorer, narkotikabærere, datalagringsmedier, og komponenter i telekommunikationssystemer.

En undersøgelse foretaget af brasilianske og indiske forskere undersøgte en ejendommelig slags spinel:zink-doteret mangan-chromit. Nanopartikler af dette materiale, beskrevet ved formlen Mn _0,5 Zn _0,5 Cr ₂ O ₄ [hvor mangan (Mn) og zink (Zn) udgør den divalente kation på A-stedet], blev syntetiseret i laboratoriet og karakteriseret ved beregninger baseret på tæthedsfunktionel teori (DFT), en metode afledt af kvantemekanik, der bruges i faststoffysik og kemi til at løse komplekse krystalstrukturer.

Materialets struktur, elektronisk, vibrations- og magnetiske egenskaber blev bestemt ved røntgendiffraktion, neutrondiffraktion, Røntgenfotoelektronspektroskopi og Ramanspektroskopi. En rapport om undersøgelsen er blevet offentliggjort i Journal of Magnetism and Magnetic Materials med titlen "Strukturelle, elektronisk, vibrationelle og magnetiske egenskaber af Zn2+ substituerede MnCr2O4 nanopartikler."

De brasilianske videnskabsmænd, der deltog i undersøgelsen, er tilknyttet Center for Forskning og Udvikling af Funktionelle Materialer (CDMF), en af ​​forskningen, Innovations- og formidlingscentre (RIDC'er) støttet af São Paulo Research Foundation-FAPESP.

En paramagnetisk-til-antiferromagnetisk faseovergang blev etableret ved 19 kelvin (-254,15 Celsius). Paramagnetiske materialer tiltrækkes af et eksternt magnetfelt, fordi deres atomer eller molekyler hver har en elektron med et uparret spin. Magnetiske materialer har flere organiserede uparrede elektroner, og den kumulative effekt af disse elektroner frembringer magnetisk tiltrækning. I antimagnetiske eller antiferromagnetiske materialer, alle elektronernes spin er parret, så for hver spin-up elektron, der er en spin-down elektron. Som resultat, de reagerer ikke mærkbart på tilstedeværelsen af ​​et moderat eksternt magnetfelt.

"Vores interesse for dette materiale skyldes dets magnetiske egenskaber, " sagde Elson Longo, en af ​​forfatterne til undersøgelsen. Longo er professor emeritus i kemiafdelingen ved Federal University of São Carlos (UFSCar) i staten São Paulo, Brasilien, og CDMF's hovedefterforsker.

"Konventionelle undersøgelser overvejer magnetiske egenskaber generisk, set fra systemet som helhed, hvorimod vi har udviklet en kvantemekanisk metode til at bestemme magnetiske egenskaber på basis af morfologierne af overfladerne af et materiales krystalstruktur, " sagde Longo. "Selv før han syntetiserede noget materiale, vi er i stand til at forudsige dens magnetiske egenskaber teoretisk. I dette specifikke tilfælde, vi forventede, at zinken ville fremme en forøgelse af overfladen med magnetiske egenskaber, og dette gjorde, Ja, ske."

Ifølge Longo, for at blive rigtigt forstået, en krystal bør betragtes på tre forskellige skalaer. "På lang afstand, vi har hele krystallen. På kort afstand, vi har den mindst mulige klynge af atomer. På mellemafstand, vi har to eller flere klynger, der interagerer. Hvis en klynge er perfekt ordnet, det vil ikke vise paramagnetisk adfærd, endsige magnetisk adfærd, fordi for hver spin-up elektron, der vil være en forskydende spin-down elektron. Imidlertid, hvis der foretages nogen ændring - hvis de kemiske bindingsvinkler ændres, for eksempel - så kan uparrede elektroner dukke op, og materialet kan blive paramagnetisk eller endda magnetisk, " han sagde.

Denne forstyrrelse kan også opstå som følge af interaktioner på mellemdistance. Magnetisme, derfor, kan frembringes ved ændringer på både korte og mellemlange afstande.

Det samme materiale kan vise forskellige egenskaber afhængigt af variationer i visse parametre, som har at gøre med, hvordan materialet er syntetiseret.

"CDMF gennemfører undersøgelser, der koncentrerer sig om at identificere meget billige materialer med bakteriedræbende og svampedræbende egenskaber. En af anvendelserne vil være fremstilling af emballage for at forlænge holdbarheden af ​​fødevarer.

"Et andet fokus er identifikation af uorganiske materialer med anticanceregenskaber. En tredje forskningslinje sigter mod at finde fotonedbrydningsmaterialer, der er i stand til at nedbryde organiske molekyler og omdanne dem til kulgas og vand. Disse materialer kunne bruges til at rense floder forurenet af forurenende stoffer. , " sagde Longo.