04/06/2013 - Primeros pasos para crear microchips magnéticos para refrigeración en bajas temperaturas

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Demuestran por primera vez que una molécula magnética mantiene “intacta” su alta capacidad de enfriar al fijarse a una superficie. La revista científica "Advanced Materials" publica en su portada la investigación realizada por el ICMA, el INA y el Servicio de Medidas Físicas de la Universidad de Zaragoza

Las misiones espaciales del futuro sustituirán el lanzamiento de grandes aparatos de refrigeración a bajas temperaturas por microchips, con la misma o más capacidad, pero más económicos y sostenibles. Y lo mismo ocurrirá en los laboratorios de criogenia o bajas temperaturas.  Estos microchips podrán utilizarse como plataformas refrigerantes en toda clase de instrumentos que necesiten operar a temperaturas cercanas al cero absoluto, como los detectores de rayos X y gamma en astronomía, instrumentos de medidas físicas en ciencia de materiales o instrumentos de seguridad.

Investigadores de distintos institutos de investigación en Zaragoza y Barcelona han logrado dar los primeros pasos para lograr estos microchips “criogénicos”. Por primera vez han encontrado una molécula magnética-- el acetato de gadolinio tetrahidrato-- capaz de fijarse a otro material, como el silicio, manteniendo sus propiedades magnéticas y de refrigeración a bajas temperaturas. Este paso de quedarse fijado a otro material sin perder sus características es fundamental para desarrollar unos nuevos dispositivos. Actualmente los aparatos de refrigeración son voluminosos y costosos y, en el futuro, serán sustituidos por aparatos del tamaño de una uña, con una aplicación inmediata, en cualquier experimento de bajas temperaturas, como pueden ser las misiones espaciales.

Estas ventajas son las que explica Marco Evangelisti, investigador del Instituto de Ciencia de Materiales de Aragón (ICMA),instituto universitario mixto de la UZ y del CSIC, en el que trabaja desde hace cuatro años y que ha coordinado este estudio en el que han participado científicos del Instituto de Nanociencia de Aragón (INA) y del Servicio de Medidas Físicas (SMF)de la Universidad de Zaragoza. En este reto el material escogido ha sido el acetato de gadolinio tetrahidrato, un material molecular de estructura simple. En un estudio previo, estos mismos investigadores demostraron que dicho material posee un efecto magnetocalórico (MCE, del inglés “magnetocaloric effect”) incluso mayor que el de las aleaciones y nanopartículas magnéticas empleadas hasta ahora como refrigerantes de muy bajas temperaturas.

En el presente trabajo, en colaboración con investigadores del Centro de Investigación en Nanociencia y Nanotecnología (CIN2) en Barcelona, este equipo ha logrado depositar dichas moléculas sobre silicio (el material ideal para la fabricación de los microchips) y medir su magnetismo en la superficie a temperaturas del helio liquido (4.2 Kelvin). El resultado no deja lugar a dudas: el proceso de deposición no altera en absoluto el excelente poder refrigerante de las moléculas. Este trabajo acaba de ser publicado en la revista científica Advanced Materials, donde además ha sido destacado en la portada principal.

Esta investigación ha sido posible también gracias al microscopio de fuerza magnética (MFM), capaz de operar a muy bajas temperaturas, que el ICMA ha adquirido recientemente.  El uso de este sofisticado instrumento está gestionado por el SMF del Servicio General de Apoyo a la Investigación (SAI) de la Universidad de Zaragoza. De hecho, los investigadores han comprobado cómo esas moléculas se quedan fijadas al silicio. “Se crean depósitos muy finos, de pocos nanómetros, de los cuales hemos medido la señal magnética a bajas temperaturas, gracias al microscopio de fuerza magnética que puede medir hasta 2 Kelvin, dos grados por encima del cero absoluto”, apunta Evangelisti. 

El desarrollo de nuevas tecnologías basadas en dispositivos de tamaño micrométrico (microchips), capaces de sustituir los equipos, complejos y de gran tamaño, que se utilizan en la actualidad, es una de las áreas importantes de la física de muy bajas temperaturas.

En esta carrera compiten distintas tecnologías, entre las cuales destaca la refrigeración magnética basada en el uso de materiales magnéticos moleculares. Todos los materiales magnéticos muestran un fenómeno, conocido como el efecto magnetocalórico, según el cual la temperatura varía como respuesta a la aplicación de un campo magnético externo. Las moléculas magnéticas constituyen una nueva clase de materiales que ha demostrado poseer unas características propias a nivel molecular, tales como un efecto magnetocalórico extraordinariamente elevado en el rango de temperaturas cercano al cero absoluto.

Otra peculiaridad del carácter molecular es su versatilidad que permite “anclar” las moléculas a una superficie, formando depósitos delgados o monocapas. Este es un paso obligatorio para la obtención de microchips refrigerantes, capaces de explotar la funcionalidad de tales materiales. Sin embargo, hasta la fecha, no existía una prueba experimental de que las moléculas, una vez depositadas, preservaran sus características magnéticas y, por tanto, su capacidad de enfriar.

 Referencias.

“Surface-confined molecular coolers for cryogenics”, G. Lorusso, M. Jenkins, P. González-Monje, A. Arauzo, J. Sesé, D. Ruiz-Molina, O. Roubeau, M. Evangelisti, http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201370135/abstract

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