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No campo do magnetismo molecular, o projeto de dispositivos com aplicações tecnológicas em nanoescala – computação quântica, spintrônica molecular, resfriamento magnético, nanomedicina, armazenamento de informações de alta densidade, etc. – requer aquelas moléculas magnéticas que são colocadas na superfície para preservar sua estrutura, funcionalidade e propriedades. Agora, um artigo publicado na revista Revisões de Química de Coordenação analisa o conhecimento mais atualizado sobre os processos de deposição e organização de moléculas magnéticas em superfícies (nanoestruturação), processo determinante para o avanço de tecnologias que envolvem a miniaturização de motores e um funcionamento mais eficiente em dimensões nanométricas.
O estudo – assinado pelos pesquisadores Carolina Sañudo, Guillem Gabarró-Riera e Guillem Aromí, do Grupo de Magnetismo e Moléculas Funcionais da Faculdade de Química e do Instituto de Nanociências e Nanotecnologia da Universidade de Barcelona (IN2UB) – descreve o cenário global do avanço das pesquisas neste campo, e propõe novas formas de avançar na organização em duas dimensões (2D) de moléculas magnéticas, no que diz respeito às suas aplicações tecnológicas.
O artigo inclui recomendações para selecionar o melhor método de deposição para cada molécula, uma revisão das superfícies utilizadas nestes processos, além de orientações para uma caracterização eficaz e perspectivas futuras baseadas em materiais bidimensionais. Além disso, os autores fornecem uma nova perspectiva crítica sobre como, em um futuro próximo, alcançar a aplicação efetiva dos sistemas moleculares em um dispositivo para obter uma tecnologia mais rápida e com menos energia.
Nanociência molecular e materiais magnéticos
No processo de seleção do método de deposição superior em superfícies para cada molécula magnética, devemos considerar cada molécula e sua estrutura, bem como a superfície e a estrutura que ela possui. “A escolha do método top depende do sistema, mas sempre será possível encontrar uma combinação adequada para depositar os sistemas moleculares”, observa a docente Carolina Sañudo, do Departamento de Química Inorgânica e Orgânica da UB.
“Os protocolos variam em cada caso e o primeiro passo é determinar as características desejadas da superfície”, continua. “Por exemplo, se quisermos estudar spintrônica, precisaremos de uma superfície condutora. Uma vez que a superfície e sua natureza tenham sido determinadas, é essencial determinar a anisotropia da forma da molécula enquanto observamos sua estrutura cristalina, suas propriedades… pode sublimar? pode dissolver? em que solventes? — e potenciais pontos de ancoragem — tem grupos funcionais que permitem a quimissorção, e se não, quais são as opções para a fisissorção? Uma vez que tenhamos todos esses detalhes, podemos projetar um protocolo de deposição. Por exemplo, se nossa molécula tiver um grupo de enxofre disponível, podemos ancorá-la por quimissorção a uma superfície de ouro (Au). Se a molécula puder sofrer sublimação, podemos pode fazê-lo por evaporação”, conclui.
Dispositivos eletrônicos menores e mais eficientes
A síntese de novas moléculas com melhores propriedades é um processo imparável, “mas a estabilidade nem sempre anda de mãos dadas com as propriedades magnéticas. Neste momento, a molécula com a maior temperatura de bloqueio T – abaixo da qual a molécula se comporta como um ímã – é extremamente instável. Em particular, é um composto organometálico e isso torna muito difícil (ou impossível) colocá-lo na superfície ou usá-lo em um dispositivo tecnológico.”
Para melhorar o design de moléculas magnéticas e obter processos de deposição de superfície mais eficientes, a estabilidade de novos ímãs monomoleculares organometálicos (SMMs) deve ser melhorada para que sejam usados de maneira eficaz. Por outro lado, moléculas magnéticas que não são tão boas SMMs ou que são bits quânticos (qubits), ou moléculas que possuem transições eletrônicas permitidas por spin, possuem características que as tornam muito difíceis de usar – devido à falta ou pouca anisotropia em sua forma ou em múltiplos grupos funcionais de ancoragem que possibilitam diversas deposições da molécula na superfície.
“Para evitar isso, é preciso avançar na organização das moléculas D2. Por exemplo, formando materiais organometálicos bidimensionais (MOFs) em que o nódulo é a molécula, e depositando as nanocamadas que já estão ordenadas implicitamente em uma superfície. Um MOF 2D, onde cada nódulo é um qubit, nos permitiria obter uma matriz de qubits ordenados em uma superfície. Esse é um desafio muito importante e alguns grupos como o nosso estão trabalhando nisso”, diz o pesquisador.
Reduzir o consumo de energia de dispositivos tecnológicos é outro objetivo da tecnologia de deposição de superfície. “Os dispositivos projetados – ela continua – podem ter um consumo de energia muito baixo se tivermos um dispositivo que armazena informações em SMM, ou usarmos qubits em uma matriz 2D perfeitamente ordenada, ou um sistema com transição eletrônica habilitada para rotação – habilitada moléculas em uma superfície por spintrônica molecular. Além disso, eles seriam mais rápidos e mais miniaturizados do que os dispositivos atuais.”
Nesse campo, a síntese de compostos inorgânicos gerou moléculas magnéticas que podem funcionar em temperaturas próximas ao nitrogênio líquido, “e isso foi um grande avanço”, diz o pesquisador. Tecnologias como a microscopia de tunelamento (STM) e a microscopia de força atômica (AFM) com pontas funcionalizadas são as técnicas que permitiram identificar a posição das moléculas na superfície. Em particular, AFM com pontas funcionalizadas pode se tornar uma técnica muito útil para caracterizar moléculas de superfície.
“A descoberta de que uma camada de óxido de magnésio (MgO) de alguns nanômetros é necessária para desacoplar a molécula da superfície para manter as propriedades moleculares uma vez que a molécula é depositada é um grande avanço. Vale destacar também o revestimento de grandes áreas de superfície por monocamadas de moléculas com alto percentual de ordem, uma vez que o arranjo da molécula na superfície de diferentes maneiras pode produzir diferentes interações e, portanto, fazer com que nem todas as moléculas mantenham suas propriedades. dispositivos baseados no uso de moléculas depositadas em superfícies”, diz Carolina Sañudo.
Moléculas magnéticas: desafios futuros
Por enquanto, obter SMMs em temperaturas elevadas, ou sintetizar qubits com tempos de relaxamento (T1) e tempos de coerência (T2) maiores, que facilitam o uso em dispositivos maiores, é um desafio para os químicos. Conseguir obter grandes áreas revestidas com monocamadas de moléculas iguais e ordenadas também representará um progresso muito relevante, e este desafio passa pela caracterização. Por isso, a aplicação de técnicas de luz síncrotron – como GIXRD, HAXPES e XMCD – será essencial.
“Para conseguir essa ordem das moléculas na superfície, o Grupo UB de Magnetismo e Moléculas Funcionais está considerando o uso de MOFs 2D, ou seja, polímeros de coordenação que se estendem em duas dimensões e são formados por camadas extremamente finas empilhadas por forças de Van der Waals . Nossa equipe também quer enfrentar outros desafios, como medir os tempos de relaxamento T1 e T2 para um qubit depositado em uma superfície e confirmar que eles mantêm (ou melhoram) os valores medidos”, conclui o pesquisador.
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