L'articolo, pubblicato sul Journal of Materials Chemistry A , è scritto dalla professoressa Carolina Sañudo, della Facoltà di Chimica dell'UB e dell'Istituto di Nanoscienza e Nanotecnologia (IN2UB), e comprende gran parte della ricerca svolta da Subodh Kumar, uno studente del master in Nanoscienze dell'UB, e Ph. D. studente Guillem Gabarró, entrambi coautori dell'articolo.

Refrigeranti magnetici su nanoscala

I materiali bidimensionali (2D) sono composti che forniscono prestazioni eccezionali per la progettazione di eterostrutture (l'unione di materiali diversi con proprietà diverse) o per dispositivi multifunzionali. Nello specifico, il nuovo composto è basato sul gadolinio (Gd), un elemento chimico delle terre rare che ha sette elettroni spaiati e può agire come un refrigerante magnetico.

Nello studio, il team del Laboratorio di Nanoscienza Molecolare dell'UB ha preparato un composito 2D(III). Questo composto si presenta sotto forma di un materiale reticolare massiccio di cationi metallici e ligandi organici (struttura metallo-organica, MOF). Una particolarità dei composti di Gd(III) è che sono attivi a temperature estremamente basse.

"Questo MOF è speciale perché è bidimensionale. I MOF 2D sono equivalenti metallo-organici del grafene e, come questo composto, possono essere esfoliati in monostrati o in aggregati di pochi monostrati su scala nanometrica", afferma Carolina Sañudo, professore presso il Dipartimento di Chimica Inorganica e Organica dell'UB.

In questo composto, ogni ione Gd(III) si comporta come se fosse un magnete a molecola singola (SMM). Poiché è un composto reticolare 2D, ogni monostrato è un reticolo ordinato di SMM. Inoltre, ha un'elevata entropia magnetica e un effetto magnetocalorico (MCE) dovuto al fatto che contiene Gd(III).

"Lo studio di questi materiali magnetici multifunzionali comporta un compito multidisciplinare in cui la caratterizzazione dei materiali mediante varie tecniche, come la magnetometria DC/AC, la calorimetria, la luminescenza e il dicroismo circolare magnetico a raggi X, è cruciale", osserva Elena Bartolomé, ricercatrice presso ICMAB-CSIC.

Nell'articolo, il team è riuscito a far crescere nanocristalli del composto su una superficie di silicio semiconduttore, un passo decisivo verso la possibilità di utilizzare materiali molecolari in dispositivi per applicazioni tecnologiche.

I risultati del nuovo studio indicano che è possibile utilizzare composti di gadolinio per il raffreddamento magnetico nei dispositivi. "Non solo siamo stati in grado di nanostrutturare il materiale su un semiconduttore, ma abbiamo dimostrato che l'effetto magnetocalorico è mantenuto su scala nanometrica e il nuovo composto può funzionare come refrigerante per la superficie magnetica", afferma la ricercatrice Carolina Sañudo.

I materiali reticolari bidimensionali, o MOF 2D, hanno potenziali applicazioni a seconda del metallo con cui sono formati. Il nuovo composito ha due proprietà chiave:è una molecola magnetica (SMM) e presenta l’effetto magnetocalorico (MCE). Gli SMM sono molecole magnetiche che possono essere applicate come alternative alla miniaturizzazione dell'archiviazione delle informazioni, in cui ciascuna molecola o ione di Gd(III) agisce come un bit.

Avere le SMM perfettamente ordinate in 2D presenta numerosi vantaggi che il gruppo di ricerca vuole sfruttare nelle future linee di ricerca. Nel campo della refrigerazione magnetica, i nanocristalli depositati sul semiconduttore possono essere utilizzati come refrigeranti superficiali a temperature criogeniche, una proprietà interessante per abbassare la temperatura all'interno di circuiti o dispositivi elettronici.

Dal 2020, il Laboratorio di Nanoscienza Molecolare dell'UB lavora con composti a base di elementi delle terre rare, come il disprosio (Dy), il terbio (Tb) e l'europio (Eu). "I composti di disprosio o terbio sono materiali reticolari 2D di molecole magnetiche. Con terbio, europio o miscele di terbio ed europio possiamo anche ottenere materiali altamente luminescenti che possono essere utilizzati come inchiostri di sicurezza", conclude Sañudo.