Struttura della molecola Mn0.5Zn0.5Cr2O4 con i corrispondenti cluster di atomi. Grazie alle sue proprietà magnetiche, il materiale può essere utilizzato in una gamma di prodotti, dai sensori di gas ai dispositivi di memorizzazione dei dati. Credito:Renan Ribeiro
Gli spinelli sono ossidi con formule chimiche del tipo AB 2 oh 4 , dove A è un catione metallico bivalente (ione positivo), B è un catione metallico trivalente, e O è ossigeno. Gli spinelli sono apprezzati per la loro bellezza, che deriva dalle configurazioni spaziali delle molecole, ma gli spinelli in cui il catione trivalente B è costituito dall'elemento cromo (Cr) sono interessanti per un motivo che non ha nulla a che fare con l'estetica:hanno proprietà magnetiche con abbondanza di potenziali applicazioni tecnologiche, compresi i sensori di gas, trasportatori di farmaci, supporti di memorizzazione dei dati, e componenti di sistemi di telecomunicazione.
Uno studio condotto da ricercatori brasiliani e indiani ha studiato un particolare tipo di spinello:il cromite di manganese drogato con zinco. Nanoparticelle di questo materiale, descritto dalla formula Mn 0,5 Zn 0,5 Cr 2 oh 4 [dove manganese (Mn) e zinco (Zn) compongono il catione bivalente del sito A], sono stati sintetizzati in laboratorio e caratterizzati da calcoli basati sulla teoria del funzionale della densità (DFT), un metodo derivato dalla meccanica quantistica che viene utilizzato nella fisica e nella chimica dello stato solido per risolvere complesse strutture cristalline.
Il materiale è strutturale, elettronico, le proprietà vibrazionali e magnetiche sono state determinate dalla diffrazione dei raggi X, diffrazione di neutroni, Spettroscopia fotoelettronica a raggi X e spettroscopia Raman. Un rapporto dello studio è stato pubblicato nel Journal of Magnetism and Magnetic Materials con il titolo "Strutturale, elettronico, proprietà vibrazionali e magnetiche delle nanoparticelle di MnCr2O4 sostituite con Zn2+".
Gli scienziati brasiliani che hanno partecipato allo studio sono affiliati al Centro per la ricerca e lo sviluppo dei materiali funzionali (CDMF), uno della Ricerca, Centri di Innovazione e Disseminazione (RIDC) supportati dalla São Paulo Research Foundation—FAPESP.
Una transizione di fase da paramagnetica a antiferromagnetica è stata stabilita a 19 kelvin (-254,15 gradi Celsius). I materiali paramagnetici sono attratti da un campo magnetico esterno perché i loro atomi o molecole hanno ciascuno un elettrone con spin spaiato. I materiali magnetici hanno diversi elettroni spaiati organizzati, e l'effetto cumulativo di questi elettroni produce attrazione magnetica. Nei materiali antimagnetici o antiferromagnetici, gli spin di tutti gli elettroni sono accoppiati, in modo che per ogni elettrone con spin-up, c'è un elettrone con spin-down. Di conseguenza, non rispondono percettibilmente alla presenza di un moderato campo magnetico esterno.
"Il nostro interesse per questo materiale è dovuto alle sue proprietà magnetiche, "ha detto Elson Longo, uno degli autori dello studio. Longo è professore emerito presso il Dipartimento di Chimica dell'Università Federale di São Carlos (UFSCar) nello stato di São Paulo, Brasile, e ricercatore principale di CDMF.
"Gli studi convenzionali considerano genericamente le proprietà magnetiche, dal punto di vista del sistema nel suo complesso, considerando che abbiamo sviluppato un metodo quantomeccanico per determinare le proprietà magnetiche sulla base delle morfologie delle superfici della struttura cristallina di un materiale, " disse Longo. "Anche prima di sintetizzare qualsiasi materiale, siamo in grado di prevedere teoricamente le sue proprietà magnetiche. In questo caso specifico, ci aspettavamo che lo zinco promuovesse un aumento della superficie con proprietà magnetiche, e questo ha fatto, infatti, accadere."
Secondo Longo, essere ben compreso, un cristallo va considerato su tre scale diverse. "A lunga distanza, abbiamo l'intero cristallo. A breve distanza, abbiamo il più piccolo gruppo di atomi possibile. A media distanza, abbiamo due o più cluster che interagiscono. Se un cluster è perfettamente ordinato, non mostrerà un comportamento paramagnetico, per non parlare del comportamento magnetico, perché per ogni elettrone con spin-up, ci sarà un elettrone con spin-down compensatore. Però, se viene apportata una modifica, se gli angoli del legame chimico vengono alterati, per esempio, quindi possono apparire elettroni spaiati, e il materiale può diventare paramagnetico o addirittura magnetico, " Egli ha detto.
Questo disturbo può verificarsi anche a seguito di interazioni a media distanza. Magnetismo, perciò, può essere prodotto da cambiamenti sia a breve che a media distanza.
Lo stesso materiale può mostrare proprietà diverse a seconda delle variazioni di determinati parametri, che ha a che fare con il modo in cui il materiale viene sintetizzato.
"CDMF sta conducendo studi concentrandosi sull'identificazione di materiali molto economici con proprietà battericide e fungicide. Una delle applicazioni sarebbe la produzione di imballaggi per prolungare la durata di conservazione dei prodotti alimentari.
"Un altro obiettivo è l'identificazione di materiali inorganici con proprietà antitumorali. Una terza linea di ricerca mira a trovare materiali di fotodegradazione in grado di scomporre le molecole organiche e convertirle in gas di carbonio e acqua. Questi materiali potrebbero essere utilizzati per ripulire i fiumi contaminati da inquinanti , " disse Longo.
