Ny molekylær forbindelse designet med teknologiske anvendelser på nanoskala

Et team ledet af Laboratory of Molecular Nanoscience ved Det Kemiske Fakultet ved Barcelona Universitet har designet en ny molekylær forbindelse baseret på gadolinium (Gd), et kemisk grundstof, der kan generere en magnetokalorisk effekt, som er af særlig interesse på området af molekylær magnetisme og i design af enheder med teknologiske anvendelser på nanoskala.

Artiklen, offentliggjort i Journal of Materials Chemistry A , er forfattet af professor Carolina Sañudo, fra UB's fakultet for kemi og Institute of Nanoscience and Nanotechnology (IN2UB), og inkluderer meget af forskningen udført af Subodh Kumar, en studerende fra UB's mastergrad i nanovidenskab, og Ph. D. studerende Guillem Gabarró, begge medforfattere af papiret.

Magnetiske kølemidler på nanoskala

Todimensionelle (2D) materialer er forbindelser, der giver enestående ydeevne til at designe heterostrukturer - sammenføjning af forskellige materialer med forskellige egenskaber - eller til multifunktionelle enheder. Specifikt er den nye forbindelse baseret på gadolinium (Gd), et sjældent jordarters kemiske grundstof, der har syv uparrede elektroner og kan fungere som et magnetisk kølemiddel.

I undersøgelsen har teamet fra UB's Laboratory of Molecular Nanoscience udarbejdet en 2D(III) komposit. Denne forbindelse præsenteres i form af et massivt gitter-materiale af metalkationer og organiske ligander (metal-organisk ramme, MOF). En særlig egenskab ved Gd(III)-forbindelser er, at de er aktive ved ekstremt lave temperaturer.

"Denne MOF er speciel, fordi den er todimensionel. 2D MOF'erne er metal-organiske ækvivalenter til grafen og kan ligesom denne forbindelse eksfolieres i monolag eller i aggregater af nogle få monolag på nanometerskalaen," siger Carolina Sañudo. professor ved UB's Institut for Uorganisk og Organisk Kemi.

I denne forbindelse opfører hver Gd(III)-ion sig, som om den var en enkelt molekylemagnet (SMM). Da det er en 2D-gitterforbindelse, er hvert monolag et ordnet gitter af SMM'er. Derudover har den en høj magnetisk entropi og en magnetokalorisk effekt (MCE) på grund af, at den indeholder Gd(III).

"Undersøgelsen af ​​disse multifunktionelle magnetiske materialer involverer en multidisciplinær opgave, hvor karakteriseringen af ​​materialerne ved forskellige teknikker, såsom dc/ac magnetometri, kalorimetri, luminescens og røntgenmagnetisk cirkulær dikroisme, er afgørende," bemærker Elena Bartolomé, forsker ved ICMAB-CSIC.

I papiret er det lykkedes for teamet at dyrke nanokrystaller af forbindelsen på en halvledende siliciumoverflade, et afgørende skridt hen imod at kunne bruge molekylære materialer i enheder til teknologiske anvendelser.

Resultaterne af den nye undersøgelse indikerer, at det er muligt at bruge gadoliniumforbindelser til magnetisk køling i enheder. "Vi har ikke kun været i stand til at nanostrukturere materialet på en halvleder, men vi har vist, at den magnetokaloriske effekt opretholdes på nanoskalaen, og den nye forbindelse kan fungere som et magnetisk overfladekølemiddel," siger forsker Carolina Sañudo.

Todimensionelle gittermaterialer - eller 2D MOF'er - har potentielle anvendelser afhængigt af det metal, de er dannet med. Den nye komposit har to nøgleegenskaber:det er et magnetmolekyle (SMM) og udviser den magnetokaloriske effekt (MCE). SMM'er er magnetmolekyler, der kan anvendes som alternativer til miniaturisering af informationslagring, hvor hvert Gd(III)-molekyle eller -ion fungerer som en bit.

At have SMM'erne perfekt ordnet i 2D giver mange fordele, som forskergruppen ønsker at udnytte i fremtidige forskningslinjer. Inden for magnetisk køling kan nanokrystallerne aflejret på halvlederen bruges som overfladekølemidler ved kryogene temperaturer, en egenskab af interesse for at sænke temperaturen inde i elektroniske kredsløb eller enheder.

Siden 2020 har UB Molecular Nanoscience Laboratory arbejdet med forbindelser baseret på sjældne jordarters grundstoffer, såsom dysprosium (Dy), terbium (Tb) og europium (Eu). "Dysprosium- eller terbiumforbindelser er 2D-gittermaterialer af magnetmolekyler. Med terbium, europium eller blandinger af terbium og europium kan vi også opnå meget selvlysende materialer, der kan bruges som sikkerhedsblæk," slutter Sañudo.

Flere oplysninger: Subodh Kumar et al., On-surface magnetocaloric effekt for en van der Waals Gd(iii) 2D MOF dyrket på Si, Journal of Materials Chemistry A (2024). DOI:10.1039/D3TA06648G

Journaloplysninger: Journal of Materials Chemistry A

Leveret af University of Barcelona