L'article, publié dans le Journal of Materials Chemistry A , est rédigé par le professeur Carolina Sañudo, de la Faculté de chimie de l'UB et de l'Institut des nanosciences et nanotechnologies (IN2UB), et comprend une grande partie des recherches menées par Subodh Kumar, étudiant du master en nanosciences de l'UB, et Ph. D. étudiant Guillem Gabarró, tous deux co-auteurs de l'article.

Réfrigérants magnétiques à l'échelle nanométrique

Les matériaux bidimensionnels (2D) sont des composés qui offrent des performances exceptionnelles pour la conception d'hétérostructures (l'assemblage de différents matériaux ayant des propriétés différentes) ou pour des dispositifs multifonctionnels. Plus précisément, le nouveau composé est basé sur le gadolinium (Gd), un élément chimique des terres rares qui possède sept électrons non appariés et peut agir comme un réfrigérant magnétique.

Dans le cadre de cette étude, l'équipe du Laboratoire de nanosciences moléculaires de l'UB a préparé un composite 2D(III). Ce composé se présente sous la forme d'un matériau massif de type réseau de cations métalliques et de ligands organiques (metal-organic framework, MOF). Une particularité des composés Gd(III) est qu'ils sont actifs à des températures extrêmement basses.

"Ce MOF est spécial car il est bidimensionnel. Les MOF 2D sont des équivalents métallo-organiques du graphène et, comme ce composé, peuvent être exfoliés en monocouches ou en agrégats de quelques monocouches à l'échelle nanométrique", explique Carolina Sañudo, professeur au Département de chimie inorganique et organique de l'UB.

Dans ce composé, chaque ion Gd(III) se comporte comme s’il s’agissait d’un aimant à molécule unique (SMM). Comme il s’agit d’un composé de réseau 2D, chaque monocouche est un réseau ordonné de SMM. De plus, il possède une entropie magnétique élevée et un effet magnétocalorique (MCE) du fait qu'il contient du Gd(III).

"L'étude de ces matériaux magnétiques multifonctionnels implique une tâche multidisciplinaire où la caractérisation des matériaux par diverses techniques, telles que la magnétométrie continue/alternative, la calorimétrie, la luminescence et le dichroïsme circulaire magnétique aux rayons X, est cruciale", note Elena Bartolomé, chercheuse à ICMAB-CSIC.

Dans cet article, l'équipe a réussi à faire croître des nanocristaux du composé sur une surface de silicium semi-conducteur, une étape décisive vers la possibilité d'utiliser des matériaux moléculaires dans des dispositifs destinés à des applications technologiques.

Les résultats de la nouvelle étude indiquent qu'il est possible d'utiliser des composés de gadolinium pour le refroidissement magnétique des appareils. "Non seulement nous avons pu nanostructurer le matériau sur un semi-conducteur, mais nous avons également montré que l'effet magnétocalorique est maintenu à l'échelle nanométrique et que le nouveau composé peut fonctionner comme un liquide de refroidissement de surface magnétique", explique la chercheuse Carolina Sañudo.

Les matériaux à réseau bidimensionnel, ou MOF 2D, ont des applications potentielles en fonction du métal avec lequel ils sont formés. Le nouveau composite possède deux propriétés clés :il s'agit d'une molécule magnétique (SMM) et présente l'effet magnétocalorique (MCE). Les SMM sont des molécules magnétiques qui peuvent être utilisées comme alternatives à la miniaturisation du stockage d'informations, où chaque molécule ou ion de Gd(III) agit comme un bit.

Avoir les SMM parfaitement ordonnés en 2D présente de nombreux avantages que le groupe de recherche souhaite exploiter dans les futurs axes de recherche. Dans le domaine de la réfrigération magnétique, les nanocristaux déposés sur le semi-conducteur peuvent être utilisés comme réfrigérants de surface à des températures cryogéniques, une propriété intéressante pour abaisser la température à l'intérieur de circuits ou dispositifs électroniques.

Depuis 2020, le laboratoire de nanosciences moléculaires de l'UB travaille avec des composés à base d'éléments de terres rares, tels que le dysprosium (Dy), le terbium (Tb) et l'europium (Eu). "Les composés de dysprosium ou de terbium sont des matériaux de réseau 2D de molécules magnétiques. Avec le terbium, l'europium ou des mélanges de terbium et d'europium, nous pouvons également obtenir des matériaux hautement luminescents qui peuvent être utilisés comme encres de sécurité", conclut Sañudo.