Les spinelles sont des oxydes de formules chimiques de type AB 2 O 4 , où A est un cation métallique divalent (ion positif), B est un cation métallique trivalent, et O est l'oxygène. Les spinelles sont appréciés pour leur beauté, qui découle des configurations spatiales des molécules, mais les spinelles dans lesquels le cation trivalent B est constitué de l'élément chrome (Cr) sont intéressants pour une raison qui n'a rien à voir avec l'esthétique :ils ont des propriétés magnétiques avec une abondance d'applications technologiques potentielles, y compris les capteurs de gaz, porteurs de drogue, supports de stockage de données, et les composants des systèmes de télécommunications.

Une étude menée par des chercheurs brésiliens et indiens a porté sur un type particulier de spinelle :la chromite de manganèse dopée au zinc. Nanoparticules de ce matériau, décrit par la formule Mn 0,5 Zn 0,5 Cr 2 O 4 [où le manganèse (Mn) et le zinc (Zn) composent le cation divalent du site A], ont été synthétisés en laboratoire et caractérisés par des calculs basés sur la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT), une méthode dérivée de la mécanique quantique qui est utilisée en physique et en chimie du solide pour résoudre des structures cristallines complexes.

La structure du matériau, électronique, les propriétés vibrationnelles et magnétiques ont été déterminées par diffraction des rayons X, diffraction des neutrons, Spectroscopie photoélectronique aux rayons X et spectroscopie Raman. Un rapport de l'étude a été publié dans le Journal du magnétisme et des matériaux magnétiques avec le titre "Structural, électronique, propriétés vibrationnelles et magnétiques des nanoparticules de MnCr2O4 substituées par Zn2+."

Les scientifiques brésiliens qui ont participé à l'étude sont affiliés au Centre de recherche et de développement de matériaux fonctionnels (CDMF), l'un des chercheurs, Centres d'innovation et de diffusion (RIDC) soutenus par la Fondation de recherche de São Paulo—FAPESP.

Une transition de phase paramagnétique à antiferromagnétique a été établie à 19 kelvins (-254,15 Celsius). Les matériaux paramagnétiques sont attirés par un champ magnétique externe parce que leurs atomes ou molécules ont chacun un électron avec un spin non apparié. Les matériaux magnétiques ont plusieurs électrons non appariés organisés, et l'effet cumulatif de ces électrons produit une attraction magnétique. Dans les matériaux antimagnétiques ou antiferromagnétiques, les spins de tous les électrons sont appariés, de sorte que pour chaque électron de spin-up, il y a un électron de spin-down. Par conséquent, ils ne répondent pas perceptiblement à la présence d'un champ magnétique externe modéré.

« Notre intérêt pour ce matériau est dû à ses propriétés magnétiques, " a déclaré Elson Longo, l'un des auteurs de l'étude. Longo est professeur émérite au Département de chimie de l'Université fédérale de São Carlos (UFSCar) dans l'État de São Paulo, Brésil, et chercheur principal du CDMF.

"Les études conventionnelles considèrent les propriétés magnétiques de manière générique, du point de vue du système dans son ensemble, alors que nous avons développé une méthode de mécanique quantique pour déterminer les propriétés magnétiques sur la base des morphologies des surfaces de la structure cristalline d'un matériau, " dit Longo. " Avant même de synthétiser un quelconque matériau, nous sommes capables de prédire ses propriétés magnétiques théoriquement. Dans ce cas précis, nous nous attendions à ce que le zinc favorise une augmentation de la surface aux propriétés magnétiques, et cela a fait, En effet, arriver."

Selon Longo, pour être bien compris, un cristal doit être considéré à trois échelles différentes. « A longue distance, nous avons le cristal entier. A courte distance, nous avons le plus petit groupe d'atomes possible. A moyenne distance, nous avons deux clusters ou plus qui interagissent. Si un cluster est parfaitement ordonné, il n'affichera pas de comportement paramagnétique, sans parler du comportement magnétique, car pour chaque électron de spin-up, il y aura un électron de spin-down de compensation. Cependant, si un changement est apporté - si les angles de liaison chimique sont modifiés, par exemple, alors des électrons non appariés peuvent apparaître, et le matériau peut devenir paramagnétique voire magnétique, " il a dit.

Cette perturbation peut également survenir à la suite d'interactions à moyenne distance. Magnétisme, donc, peut être produit par des changements à courte et moyenne distance.

Un même matériau peut présenter des propriétés différentes en fonction des variations de certains paramètres, qui a à voir avec la façon dont le matériau est synthétisé.

« Le CDMF mène des études axées sur l'identification de matériaux très bon marché aux propriétés bactéricides et fongicides. Une des applications serait la production d'emballages pour prolonger la durée de conservation des produits alimentaires.

« Un autre axe est l'identification de matériaux inorganiques aux propriétés anticancéreuses. Un troisième axe de recherche vise à trouver des matériaux de photodégradation capables de décomposer les molécules organiques et de les convertir en gaz carbonique et en eau. Ces matériaux pourraient être utilisés pour assainir des rivières contaminées par des polluants. , " dit Longo.