Nieuwe moleculaire verbinding ontworpen met technologische toepassingen op nanoschaal

Een team onder leiding van het Laboratorium voor Moleculaire Nanowetenschappen van de Faculteit Scheikunde van de Universiteit van Barcelona heeft een nieuwe moleculaire verbinding ontworpen op basis van gadolinium (Gd), een chemisch element dat een magnetocalorisch effect kan genereren, dat van bijzonder belang is in het veld van moleculair magnetisme en in het ontwerp van apparaten met technologische toepassingen op nanoschaal.

De krant, gepubliceerd in de Tijdschrift voor materiaalchemie A, is geschreven door professor Carolina Sañudo, van de Faculteit Scheikunde van de UB en het Instituut voor Nanowetenschappen en Nanotechnologie (IN2UB), en omvat een groot deel van het onderzoek dat is uitgevoerd door Subodh Kumar, een student van de masteropleiding Nanowetenschappen van de UB, en Ph. D. student Guillem Gabarró, beide co-auteurs van het artikel.

Magnetische koelmiddelen op nanoschaal

Tweedimensionale (2D) materialen zijn verbindingen die uitzonderlijke prestaties leveren bij het ontwerpen van heterostructuren (het verbinden van verschillende materialen met verschillende eigenschappen) of voor multifunctionele apparaten. Concreet is de nieuwe verbinding gebaseerd op gadolinium (Gd), een chemisch element van zeldzame aarde dat zeven ongepaarde elektronen heeft en kan werken als magnetisch koelmiddel.

In het onderzoek heeft het team van het Laboratorium voor Moleculaire Nanowetenschappen van de UB een 2D(III)-composiet vervaardigd. Deze verbinding wordt gepresenteerd in de vorm van een massief roosterachtig materiaal van metaalkationen en organische liganden (metaal-organisch raamwerk, MOF). Een bijzonderheid van Gd(III)-verbindingen is dat ze actief zijn bij extreem lage temperaturen.

“Deze MOF is speciaal omdat hij tweedimensionaal is. De 2D-MOF’s zijn metaal-organische equivalenten van grafeen en kunnen, net als deze verbinding, worden geëxfolieerd in monolagen of in aggregaten van een paar monolagen op nanometerschaal”, zegt Carolina Sañudo. hoogleraar bij de afdeling Anorganische en Organische Chemie van de UB.

In deze verbinding gedraagt ​​elk Gd(III)-ion zich alsof het een magneet met één molecuul (SMM) is. Omdat het een 2D-roosterverbinding is, is elke monolaag een geordend rooster van SMM’s. Bovendien heeft het een hoge magnetische entropie en een magnetocalorisch effect (MCE) vanwege het feit dat het Gd(III) bevat.

“De studie van deze multifunctionele magnetische materialen omvat een multidisciplinaire taak waarbij de karakterisering van de materialen door verschillende technieken, zoals dc/ac-magnetometrie, calorimetrie, luminescentie en röntgenmagnetisch circulair dichroïsme, cruciaal is”, merkt Elena Bartolomé op, onderzoeker bij ICMAB-CSIC.

In het artikel is het team erin geslaagd nanokristallen van de verbinding op een halfgeleidend siliciumoppervlak te laten groeien, een beslissende stap in de richting van het gebruik van moleculaire materialen in apparaten voor technologische toepassingen.

De bevindingen van het nieuwe onderzoek geven aan dat het mogelijk is om gadoliniumverbindingen te gebruiken voor magnetische koeling in apparaten. “We zijn er niet alleen in geslaagd het materiaal op een halfgeleider te nanostructureren, maar we hebben ook aangetoond dat het magnetocalorische effect op nanoschaal behouden blijft, en dat de nieuwe verbinding kan functioneren als een magnetisch oppervlaktekoelmiddel”, zegt onderzoeker Carolina Sañudo.

Tweedimensionale roostermaterialen – of 2D-MOF’s – hebben potentiële toepassingen, afhankelijk van het metaal waarmee ze zijn gevormd. Het nieuwe composiet heeft twee belangrijke eigenschappen: het is een magneetmolecuul (SMM) en vertoont het magnetocalorische effect (MCE). SMM’s zijn magneetmoleculen die kunnen worden toegepast als alternatief voor de miniaturisatie van informatieopslag, waarbij elk Gd(III)-molecuul of ion als een bit fungeert.

Het perfect geordend hebben van de SMM’s in 2D biedt veel voordelen die de onderzoeksgroep wil benutten in toekomstige onderzoekslijnen. Op het gebied van magnetische koeling kunnen de op de halfgeleider afgezette nanokristallen worden gebruikt als oppervlaktekoelmiddelen bij cryogene temperaturen, een eigenschap die van belang is om de temperatuur in elektronische circuits of apparaten te verlagen.

Sinds 2020 werkt het UB Molecular Nanoscience Laboratory met verbindingen op basis van zeldzame aardelementen, zoals dysprosium (Dy), terbium (Tb) en europium (Eu). “Dysprosium of terbiumverbindingen zijn 2D-roostermaterialen van magneetmoleculen. Met terbium, europium of mengsels van terbium en europium kunnen we ook zeer lichtgevende materialen verkrijgen die kunnen worden gebruikt als veiligheidsinkten”, besluit Sañudo.