Cuando las moléculas «se dan cuenta» de lo que hacen sus vecinas
Un nuevo método espectroscópico revela el entorno de los complejos de hierro con propiedades conmutables
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Investigadores de la Universidad Friedrich Schiller de Jena y del Centro Helmholtz de Berlín (HZB) han podido observar directamente, por primera vez, cómo el entorno que rodea a un interruptor molecular influye en su estructura electrónica. Los interruptores moleculares son moléculas que pueden alternar entre dos estados debido a influencias externas, como los cambios de temperatura, de forma similar a un interruptor con las posiciones «On» y «Off». Estas moléculas se están investigando como posibles componentes básicos para futuros dispositivos de almacenamiento de datos o materiales para sensores. Mediante la espectroscopia de terahercios dependiente del campo magnético, los investigadores han podido distinguir, por primera vez, si las moléculas vecinas de un material se encuentran en el mismo estado o en estados diferentes. Los resultados se han publicado en la revista «Angewandte Chemie International Edition».
Cuando las moléculas «se dan cuenta» de lo que hacen sus vecinas
En los compuestos de hierro estudiados, las moléculas pueden alternar entre dos estados electrónicos. Al hacerlo, los electrones que rodean al ion de hierro se organizan de forma diferente: en el denominado estado de alto espín, hay electrones no apareados, lo que hace que la molécula sea magnética. En el estado de espín bajo, por el contrario, los electrones están emparejados; este estado es no magnético.
«Si queremos hacer un uso específico de los interruptores moleculares, necesitamos saber cuántas moléculas tienen que “comunicarse” entre sí para producir un comportamiento de conmutación específico», afirma la profesora Birgit Weber, del Instituto de Química Inorgánica y Analítica de la Universidad de Jena. «Con el nuevo método podemos, por así decirlo, ver qué hacen las moléculas vecinas».
Hasta ahora, era posible determinar qué proporción de las moléculas se encontraba en cada estado. Resultaba más difícil averiguar cómo se distribuían estos estados dentro del material: ¿cambian las moléculas de estado de forma prácticamente independiente unas de otras, o son grupos más grandes los que cambian de estado al unísono? Es precisamente esta información la que resulta importante para comprender las propiedades del material en su conjunto.
Una huella del entorno molecular
Para su estudio, los investigadores analizaron dos compuestos de hierro (II) cuyos estados de transición pueden verse influidos por la velocidad de enfriamiento. Durante un enfriamiento rápido, un estado presente a temperaturas más altas puede «congelarse». El enfriamiento lento, por el contrario, da lugar a estados diferentes o mixtos. Esto permitió a los investigadores comparar cómo se comporta una molécula cuando cambia su entorno.
La espectroscopia EPR en THz revela cambios muy pequeños en la estructura electrónica. «La estructura electrónica lleva, por así decirlo, una “huella digital” de su entorno», afirma el Prof. Dr. Winfried Plass, del Instituto de Química Inorgánica y Analítica de la Universidad de Jena. «Cuando las moléculas vecinas cambian de estado, esta “huella digital” también cambia, y eso es precisamente lo que podemos medir».
En el caso de uno de los compuestos, ya se sabía por estudios anteriores que los estados magnéticos y no magnéticos se alternan regularmente a bajas temperaturas. Los cambios medidos ahora coincidían con este patrón conocido y fueron confirmados mediante cálculos de química cuántica.
¿Cuántas moléculas se necesitan para alcanzar un estado estable?
Este método puede utilizarse ahora para investigar si las moléculas cambian de estado de forma individual o si forman áreas más grandes, conocidas como dominios, en las que muchas moléculas cambian de estado al unísono. Esto también es relevante para posibles aplicaciones: si se quieren utilizar dos estados estables, «0» y «1», la unidad de almacenamiento más pequeña posible depende del número de moléculas que deban interactuar para lograrlo.
«Si para ello siempre tienen que cambiar juntas cientos o miles de moléculas, esto establece un límite al tamaño mínimo que pueden alcanzar dichos sistemas», afirma Weber. «Si, por el contrario, incluso muy pocas moléculas o incluso moléculas individuales pueden pasar de forma independiente a un estado estable, serían concebibles densidades de almacenamiento significativamente mayores».
Confirmación independiente en BESSY II
Según los investigadores, esta es la primera aplicación de la espectroscopia EPR magnética en el rango de los terahercios a este tipo de compuestos de hierro conmutables. Las instalaciones de medición de BESSY II, en el Centro Helmholtz de Berlín, desempeñaron un papel fundamental. Allí, las mediciones en el rango de los terahercios pueden combinarse con fuertes campos magnéticos y temperaturas muy bajas. Los desplazamientos energéticos decisivos implicados son excepcionalmente pequeños. El hecho de que procedan realmente del material y no sean un artefacto de medición quedó demostrado mediante mediciones con radiación sincrotrón, que reprodujeron de forma independiente las observaciones en muestras distintas. Su alto brillo también permite acceder a sistemas con señales más débiles y a transiciones a energías aún más bajas.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
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