El análisis de rayos X señala el camino hacia los imanes flexibles y transparentes
Los radicales orgánicos permiten nuevas aplicaciones y podrían convertirse en un sustituto sostenible de las tierras raras
Los imanes de materiales orgánicos pueden permitir nuevas aplicaciones y ofrecer una alternativa sostenible a los imanes metálicos que contienen tierras raras. Con un montaje experimental único en el mundo en la fuente de rayos X PETRA III del DESY, científicos de Tubinga, Hamburgo, Berlín, Nebraska e Italia han demostrado por primera vez el magnetismo en películas delgadas completamente orgánicas. "Estos resultados abren el camino a la aparición de imanes flexibles, ligeros y transparentes y, por tanto, a una gran variedad de nuevas aplicaciones futuristas", explica Maria Benedetta Casu, de la Universidad de Tubinga, que dirigió la investigación. El equipo informa de su exhaustivo análisis en la revista Chem.
Micrografía de fuerza atómica de una fina película magnética de radicales orgánicos.
University of Tübingen, Benedetta Casu
El magnetismo es una propiedad de la materia que la humanidad conoce desde hace varios miles de años, mucho antes de que estas propiedades pudieran describirse en una teoría. "En nuestra vida cotidiana, estamos acostumbrados a los clásicos imanes hechos de metales o aleaciones de tierras raras, materiales duros como los imanes que decoran nuestra nevera", dice Casu. "Imaginemos una clase de materiales que tengan un momento magnético en ausencia total de iones metálicos, estando compuestos únicamente por elementos ligeros, como el carbono, el nitrógeno y el oxígeno. Serían materiales transparentes, ligeros y flexibles. Tendrían un coste de producción menor y podrían producirse de forma sostenible. Esta clase de materiales existe de hecho: es la familia de los radicales orgánicos".
Estos radicales son moléculas orgánicas que llevan un electrón no apareado, lo que da lugar a un momento magnético permanente que no se debe al efecto de un campo magnético externo. "Los radicales orgánicos son materiales muy prometedores para la electrónica y la tecnología cuántica", afirma Tobias Junghöfer, de la Universidad de Tubinga, uno de los principales autores del estudio. Sin embargo, para utilizar estos radicales en un dispositivo, normalmente hay que fabricarlos como una película fina, 1000 veces más fina que un cabello humano, que recubra un sustrato como el dióxido de silicio (SiO2). "En el pasado, el magnetismo en los radicales puramente orgánicos sólo se conocía para los cristales y era completamente desconocido en las películas finas. Nunca se había estudiado porque era un gran reto", explica Casu.
Hace una década, estos experimentos aún no eran técnicamente posibles. "Entonces, nuestros colegas de la Universidad de Hamburgo desarrollaron una máquina de alto campo magnético para realizar mediciones ultrafrías hasta 0,1 Kelvin, muy cerca del cero absoluto, y mucho más frío que la temperatura del espacio exterior", informa Casu. "Sin embargo, era necesario trabajar con luz de sincrotrón de una fuente avanzada como PETRA III. La combinación de la línea de haz P04 en PETRA III y nuestra máquina es única y es la única instalación en el mundo donde es posible obtener estos resultados."
El primer experimento de este tipo se realizó en 2016. "Las mediciones requerían mucho tiempo, ya que se necesitan varios días para enfriar la muestra por debajo de 1 Kelvin, y había que realizar entre 100 y 150 escaneos en diferentes puntos de la muestra para obtener un solo espectro promediado", explica el coautor Michael Martins, de la Universidad de Hamburgo. El equipo utilizó una técnica llamada dicroísmo circular magnético de rayos X (XMCD) que es un método bien establecido para investigar los imanes clásicos e identificar su comportamiento magnético. Pero nunca antes se había utilizado en materiales puramente orgánicos. El XMCD es una técnica de medición de elementos específicos que se inició en la fuente de rayos X DORIS del DESY en la década de 1980 y puede identificar todos los elementos que forman un material, basándose en la absorción de rayos X polarizados circularmente que da lugar a las llamadas transiciones electrónicas en la muestra.
"Aplicamos un fuerte campo magnético a muy baja temperatura para alinear los momentos magnéticos individuales de cada molécula de nuestras películas radicales a lo largo de la dirección del campo", explica Ivan Baev, de la Universidad de Hamburgo, también uno de los principales autores del estudio. "Los espectros de absorción se midieron una vez con luz polarizada circularmente a la izquierda y otra con luz polarizada circularmente a la derecha". Analizar las mediciones no fue fácil. "Nos llevó mucho tiempo interpretar los datos, ya que es el primer experimento de este tipo, pero fue muy gratificante", informa Casu. "Hemos demostrado que las películas delgadas de radicales, completamente orgánicas, ligeras y transparentes, tienen magnetismo de largo alcance, y su comportamiento magnético puede modificarse en función de la producción de la película, por ejemplo, cambiando la temperatura de los sustratos recubiertos durante el recubrimiento. Esto convierte a los radicales orgánicos en candidatos prometedores para materiales magnéticos novedosos y sostenibles".
En esta investigación han colaborado científicos de las Universidades de Tubinga, Hamburgo y Nebraska, del Istituto Nanoscienze italiano de Módena y del Helmholtz-Zentrum de Berlín.
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Publicación original
Tobias Junghoefer, Arrigo Calzolari, Ivan Baev, Mathias Glaser, Francesca Ciccullo, Erika Giangrisostomi, Ruslan Ovsyannikov, Fridtjof Kielgast, Matz Nissen, Julius Schwarz, Nolan M. Gallagher, Andrzej Rajca, Michael Martins, Maria Benedetta Casu; "Magnetic behaviour in metal-free radical thin films"; Chem; 2021
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