Los imanes basados en moléculas son una clase de materiales capaces de mostrar ferromagnetismo y otros fenómenos magnéticos más complejos. Esta clase amplía las propiedades de los materiales típicamente asociados con los imanes para incluir baja densidad, transparencia, aislamiento eléctrico y fabricación a baja temperatura, así como combinar el orden magnético con otras propiedades como la fotorrespuesta. Esencialmente, todos los fenómenos magnéticos comunes asociados con los imanes convencionales de metales de transición y de tierras raras se pueden encontrar en los imanes basados en moléculas. [1]
La primera síntesis y caracterización de imanes basados en moléculas fue realizada por Wickman y colaboradores en 1967. Este era un compuesto de cloruro de dietilditiocarbamato-Fe (III). [2] [3]
El mecanismo por el cual los imanes basados en moléculas se estabilizan y muestran un momento magnético neto es diferente al presente en los imanes tradicionales basados en metal y cerámica. En el caso de los imanes metálicos, los electrones no apareados se alinean a través de efectos mecánicos cuánticos (denominado intercambio) en virtud de la forma en que los electrones llenan los orbitales de la banda conductora . Para la mayoría de los imanes cerámicos a base de óxido, los electrones no apareados en los centros del metal se alinean a través del óxido de puente diamagnético intermedio (denominado superecambio ). El momento magnético en los imanes basados en moléculas generalmente se estabiliza mediante uno o más de tres mecanismos principales:
En general, los imanes basados en moléculas tienden a ser de baja dimensionalidad. Las aleaciones magnéticas clásicas a base de hierro y otros materiales ferromagnéticos presentan uniones metálicas, con todos los átomos esencialmente unidos a todos los vecinos más cercanos en la red cristalina. Por lo tanto, las temperaturas críticas en las que estos imanes clásicos cruzan al estado magnético ordenado tienden a ser altas, ya que las interacciones entre los centros de espín son fuertes. Los imanes basados en moléculas, sin embargo, tienen unidades de soporte de espín en entidades moleculares, a menudo con enlaces altamente direccionales. En algunos casos, la unión química está restringida a una dimensión (cadenas). Por lo tanto, las interacciones entre los centros de giro también se limitan a una dimensión y las temperaturas de pedido son mucho más bajas que las de los imanes de metal / aleación. Además, grandes partes del material magnético son esencialmente diamagnéticas y no contribuyen en nada al momento magnético neto.
Estos aspectos de los imanes basados en moléculas presentan desafíos importantes para alcanzar el objetivo final de los imanes basados en moléculas a "temperatura ambiente". Los materiales de baja dimensión, sin embargo, pueden proporcionar valiosos datos experimentales para validar modelos físicos de magnetismo (que a menudo son de baja dimensión, para simplificar los cálculos).
Los imanes basados en moléculas siguen siendo actualmente curiosidades de laboratorio sin aplicaciones en el mundo real, en gran parte debido a la temperatura crítica muy baja a la que estos materiales se vuelven magnéticos. Esto está relacionado con la magnitud del acoplamiento magnético, que es muy débil en estos materiales. En este sentido, son similares a los superconductores , que requieren enfriamiento para su uso. Recientemente, los imanes oxodiméricos basados en Fe (salen) ("nanoimanes anticancerígenos") en una suspensión de agua demostraron un comportamiento ferromagnético intrínseco a temperatura ambiente, así como una actividad antitumoral, con posibles aplicaciones médicas en quimioterapia , [4] [5] [6] [7] administración magnética de fármacos , imágenes por resonancia magnética(MRI) y terapia de hipertermia local inducida por campo magnético .
Los imanes basados en moléculas comprenden una clase de materiales que se diferencian de los imanes convencionales en una de varias formas. La mayoría de los materiales magnéticos tradicionales se componen puramente de metales (Fe, Co, Ni) u óxidos metálicos (CrO 2 ) en los que los espines de electrones no apareados que contribuyen al momento magnético neto residen solo en átomos metálicos en orbitales de tipo d o f.
En los imanes basados en moléculas, los bloques de construcción estructurales son de naturaleza molecular. Estos bloques de construcción son moléculas puramente orgánicas , compuestos de coordinación o una combinación de ambos. En este caso, los electrones desapareados pueden residir en orbitales dof en átomos metálicos aislados, pero también pueden residir en orbitales syp altamente localizados, así como en especies puramente orgánicas. Al igual que los imanes convencionales, pueden clasificarse como duros o blandos, según la magnitud del campo coercitivo .
Otra característica distintiva es que los imanes basados en moléculas se preparan mediante técnicas basadas en soluciones a baja temperatura, frente al procesamiento metalúrgico o galvanoplastia a alta temperatura (en el caso de películas delgadas magnéticas ). Esto permite una adaptación química de los bloques de construcción moleculares para ajustar las propiedades magnéticas.
Los materiales específicos incluyen imanes puramente orgánicos hechos de radicales orgánicos, por ejemplo, nitróxidos de p-nitrofenil nitronilo, [8] tetracianoetenuro de decametilferrocenio, [9] compuestos de coordinación mixtos con radicales orgánicos puente, [10] compuestos relacionados con el azul de Prusia , [11] y transferencia de carga. complejos . [12]
Los imanes basados en moléculas derivan su momento neto del efecto cooperativo de las entidades moleculares portadoras de espín, y pueden mostrar un comportamiento ferromagnético y ferrimagnético en masa con una verdadera temperatura crítica . En este sentido, se contrastan con los imanes de una sola molécula , que son esencialmente superparamagnetos (que muestran una temperatura de bloqueo frente a una verdadera temperatura crítica). Esta temperatura crítica representa el punto en el que los materiales cambian de un paraimán simple a un imán a granel, y puede detectarse mediante mediciones de susceptibilidad de CA y calor específico .