Moléculas magnéticas en superficie: avances y retos en nanociencia molecular

En el campo del magnetismo molecular, el diseño de dispositivos con aplicaciones tecnológicas en la nanoescala —computación cuántica, espintrónica molecular, refrigeración magnética, nanomedicina, almacenamiento de información de alta densidad, etc.— exige que las moléculas magnéticas que se depositen en la superficie conserven la estructura, la funcionalidad y las propiedades. Ahora, un artículo publicado en la revista Coordination Chemistry Reviews examina los conocimientos más actuales sobre los procesos de deposición y organización de las moléculas magnéticas en superficie (nanoestructuración), un proceso determinante para el progreso de las tecnologías que implican una miniaturización de los ingenios y un funcionamiento más eficiente en dimensiones nanométricas.

El trabajo —signado por los investigadores Carolina Sañudo, Guillem Gabarró-Riera y Guillem Aromí, del Grupo de Magnetismo y Moléculas Funcionales de la Facultad de Química y el Instituto de Nanociencia y Nanotecnología de la Universidad de Barcelona (IN2UB)— describe el escenario global del progreso de la investigación en este ámbito, y propone nuevas vías para avanzar en la organización en dos dimensiones (2D) de las moléculas magnéticas, con vista a su aplicación tecnológica.

El artículo incluye recomendaciones para seleccionar el mejor método de deposición para cada molécula, una revisión de las superficies usadas en estos procesos, además de guías de caracterización efectiva y perspectivas de futuro basadas en los materiales bidimensionales. Así mismo, los autores aportan una perspectiva crítica de cómo, en un futuro próximo, se puede llegar a la aplicación efectiva de los sistemas moleculares en un en dispositivos para conseguir una tecnología más rápida y con menos consumo energético.

Nanociencia molecular y materiales magnéticos

En el proceso para seleccionar el mejor método de deposición en superficie para cada molécula magnética, se tiene que considerar cada molécula en particular y su estructura, así como la superficie y la estructura que tiene. «La selección del mejor método depende del sistema, pero siempre será posible encontrar una combinación adecuada para depositar los sistemas moleculares», detalla la profesora Carolina Sañudo, del Departamento de Química Inorgánica y Orgánica de la UB.

«Los protocolos varían en cada caso y el primer paso es determinar las características deseadas de la superfície», continúa. «Por ejemplo, si queremos estudiar la espintrónica, necesitaremos una superficie conductora. Una vez determinada la superficie y su naturaleza, es primordial determinar la anisotropía de forma de la molécula mientras observamos su estructura cristalina, sus propiedades —¿se puede sublimar?, ¿se puede disolver?, ¿en qué solventes?— y los posibles puntos de ancoraje —¿tiene grupos funcionales que permitan la quimisorción? Si no tiene, ¿qué opciones de fisisorción presenta?—. Cuando tengamos todos estos detalles, podremos diseñar un protocolo de deposición. Por ejemplo, si nuestra molécula tiene un grupo con azufre disponible, la podremos ancorar por quimisorción a una superficie de oro (Au). Si la molécula es sublimable, lo podemos hacer por evaporación», concluye.

Dispositivos electrónicos más pequeños y eficientes

La síntesis de nuevas moléculas con mejores propiedades es un proceso imparable, «pero la estabilidad no siempre va de la mano de las propiedades magnéticas. Ahora mismo, la molécula con temperatura de bloqueo T —por debajo de la cual la molécula se comporta como un imán— más elevada es extremadamente inestable. En concreto, es un compuesto organometálico y esto hace que sea muy complicado (o imposible) deponerla en la superficie o utilizarla en un dispositivo tecnológico».

Para mejorar el diseño de moléculas magnéticas y obtener procesos más eficientes de deposición en superficies, se tiene que mejorar la estabilidad de los nuevos imanes monomoleculares (SMM) organometálicos si se quieren emprar de una manera efectiva. Por otro lado, moléculas magnéticas que no son tan buenos SMM o que son bits cuánticos (cúbits), o moléculas que presentan transición electrónica permitida por spin, tienen características que hacen muy difícil usarla —por falta o poca anisotropía en su forma o múltiples grupos funcionales de ancoraje que hacen posibles diversas deposiciones de la molécula sobre la superficie—.

«Para evitar esto, es necesario avanzar en la organización de moléculas D2. Por ejemplo, formando materiales de tipo organometálico (MOF) en dos dimensiones, en que el nódulo sea la molécula en cuestión y depositar las nanocapas que ya están ordenadas implícitamente en una superficie. Un MOF 2D, en que cada nódulo es un cúbit, nos permitiría obtener una matriz de cúbits ordenados en una superficie. Éste es un reto muy importante y algunos grupos como el nuestro están trabajando en él», detalla la investigadora.

Reducir el consumo energético de los dispositivos tecnológicos es otro objetivo que persigue la tecnología de deposición en superficie. «Los ingenios diseñados prosigue la investigadora— pueden tener un consumo de energía muy bajo si se consigue un dispositivo que permita archivar información en SMM, o bien usar cúbits en una matriz 2D perfectamente ordenada, o bien un sistema con moléculas con transición electrónica permitida por spin en una superficie por espintrónica molecular. Además, serían más rápidos y miniaturizados que los dispositivos actuales.

En este terreno, la síntesis de compuestos inorgánicos ha generado moléculas imán que pueden funcionar a temperaturas alrededor del nitrógeno líquido, «y esto ha sido un gran avance», apunta la investigadora. Las tecnologías como la microscopia de efecto túnel (STM) y la microscopia de fuerzas atómicas (AFM) con puntas funcionalizadas son las técnicas que han permitido identificar la posición de las moléculas en superficie. En concreto, la AFM con puntas funcionalizadas se puede convertir en una técnica muy útil para caracterizar moléculas en superficie.

«El descubrimiento de que se necesita una capa de óxido de magnesio (MgO) de pocos nanómetros que desacople la molécula de la superficie para mantener las propiedades moleculares, una vez depositada la molécula, es un gran avance. También cabe destacar el recubrimiento de grandes áreas de superficie por monocapas de moléculas con un elevado porcentaje de orden, ya que la disposición de la molécula en la superficie de distintas maneras puede producir diversas interacciones y, por tanto, hacer que no todas las moléculas mantengan las propiedades. Estos dos puntos son determinantes para el futuro desarrollo de dispositivos basados en el uso de moléculas depositadas en superficies», asegura Carolina Sañudo.

Moléculas magnéticas: retos de futuro

Por ahora, la obtención de SMM a temperaturas elevadas, o la síntesis de cúbits con constantes de relajación (T1) y tiempos de coherencia (T2) más prolongados que faciliten el uso en dispositivos más grandes es un reto para los químicos. Poder obtener grandes áreas recubiertas de monocapas de moléculas iguales y ordenadas también representará un progreso bien relevante, y este reto incluye la caracterización. Por esta razón, la aplicación de técnicas con luz de sincrotrón —como GIXRD, HAXPES y XMCD— será fundamental.

«Para poder alcanzar este orden de las moléculas en la superficie, en el Grupo de Magnetismo y Moléculas Funcionales nos planteamos usar MOF 2D, es decir, polímeros de coordinación que se extienden en dos dimensiones y que están formados por capas extremadamente delgadas apiladas mediante fuerzas de Van der Waals. Nuestro equipo quiere abordar igualmente otros retos, como medir los tiempos de relajación T1 y T2 para un cúbit depositado en una superficie y poder confirmar que mantienen (o mejoran) los valores medidos», concluye la investigadora.