Spinellen zijn oxiden met chemische formules van het type AB ₂ O ₄ , waarbij A een tweewaardig metaalkation is (positief ion), B is een driewaardig metaalkation, en O is zuurstof. Spinels worden gewaardeerd om hun schoonheid, die voortkomt uit de ruimtelijke configuraties van de moleculen, maar spinellen waarin het driewaardige kation B bestaat uit het element chroom (Cr) zijn interessant om een ​​reden die niets te maken heeft met esthetiek:ze hebben magnetische eigenschappen met een overvloed aan potentiële technologische toepassingen, inclusief gassensoren, drugs dragers, gegevensopslagmedia, en componenten van telecommunicatiesystemen.

Een studie van Braziliaanse en Indiase onderzoekers onderzocht een eigenaardig soort spinel:met zink gedoteerd mangaanchromiet. Nanodeeltjes van dit materiaal, beschreven door de formule Mn _0,5 Zn _0,5 Cr ₂ O ₄ [waar mangaan (Mn) en zink (Zn) het tweewaardige kation van de A-plaats vormen], werden in het laboratorium gesynthetiseerd en gekarakteriseerd door berekeningen op basis van dichtheidsfunctionaaltheorie (DFT), een uit de kwantummechanica afgeleide methode die in de vastestoffysica en -chemie wordt gebruikt om complexe kristalstructuren op te lossen.

De structuur van het materiaal, elektronisch, vibratie- en magnetische eigenschappen werden bepaald door röntgendiffractie, neutronendiffractie, Röntgenfoto-elektronenspectroscopie en Raman-spectroscopie. Een rapport van het onderzoek is gepubliceerd in de Journal of Magnetism and Magnetic Materials met de titel "Structureel, elektronisch, vibratie- en magnetische eigenschappen van Zn2+ gesubstitueerde MnCr2O4-nanodeeltjes."

De Braziliaanse wetenschappers die deelnamen aan het onderzoek zijn verbonden aan het Centre for Research and Development of Functional Materials (CDMF), een van de onderzoeken, Innovatie- en verspreidingscentra (RIDC's) ondersteund door São Paulo Research Foundation-FAPESP.

Een paramagnetische-naar-antiferromagnetische faseovergang werd vastgesteld bij 19 kelvin (-254.15 Celsius). Paramagnetische materialen worden aangetrokken door een extern magnetisch veld omdat hun atomen of moleculen elk één elektron hebben met een ongepaarde spin. Magnetische materialen hebben verschillende georganiseerde ongepaarde elektronen, en het cumulatieve effect van deze elektronen produceert magnetische aantrekkingskracht. In antimagnetische of antiferromagnetische materialen, de spins van alle elektronen zijn gepaard, zodat voor elk spin-up elektron, er is een spin-down elektron. Als resultaat, ze reageren niet waarneembaar op de aanwezigheid van een matig extern magnetisch veld.

"Onze interesse in dit materiaal is te danken aan zijn magnetische eigenschappen, " zei Elson Longo, een van de auteurs van het onderzoek. Longo is emeritus hoogleraar aan de afdeling Scheikunde van de Federale Universiteit van São Carlos (UFSCar) in de staat São Paulo, Brazilië, en de hoofdonderzoeker van CDMF.

"Conventionele studies beschouwen magnetische eigenschappen in het algemeen, vanuit het standpunt van het systeem als geheel, terwijl we een kwantummechanische methode hebben ontwikkeld om magnetische eigenschappen te bepalen op basis van de morfologieën van de oppervlakken van de kristalstructuur van een materiaal, ' zei Longo. 'Zelfs voordat er materiaal werd gesynthetiseerd, we zijn in staat om zijn magnetische eigenschappen theoretisch te voorspellen. In dit specifieke geval, we verwachtten dat het zink een toename van het oppervlak met magnetische eigenschappen zou bevorderen, en dit deed, inderdaad, gebeuren."

Volgens Longo, goed te begrijpen, een kristal moet op drie verschillende schalen worden beschouwd. "Op grote afstand we hebben het hele kristal. Op korte afstand, we hebben de kleinst mogelijke cluster van atomen. Op middellange afstand, we hebben twee of meer clusters die op elkaar inwerken. Als een cluster perfect geordend is, het zal geen paramagnetisch gedrag vertonen, laat staan ​​magnetisch gedrag, want voor elk spin-up elektron, er zal een compenserend spin-down elektron zijn. Echter, als er een wijziging wordt aangebracht - als de hoeken van de chemische binding worden gewijzigd, bijvoorbeeld - dan kunnen ongepaarde elektronen verschijnen, en het materiaal kan paramagnetisch of zelfs magnetisch worden, " hij zei.

Deze verstoring kan ook optreden als gevolg van interacties op middellange afstand. Magnetisme, daarom, kunnen worden geproduceerd door veranderingen op zowel korte als middellange afstanden.

Hetzelfde materiaal kan verschillende eigenschappen vertonen, afhankelijk van variaties in bepaalde parameters, wat te maken heeft met hoe het materiaal wordt gesynthetiseerd.

"CDMF voert studies uit die zich concentreren op het identificeren van zeer goedkope materialen met bacteriedodende en schimmeldodende eigenschappen. Een van de toepassingen zou de productie van verpakkingen zijn om de houdbaarheid van voedselproducten te verlengen.

"Een ander aandachtspunt is de identificatie van anorganische materialen met eigenschappen tegen kanker. Een derde onderzoekslijn is gericht op het vinden van fotodegradatiematerialen die in staat zijn om organische moleculen af ​​te breken en om te zetten in koolstofgas en water. Deze materialen kunnen worden gebruikt om rivieren op te ruimen die verontreinigd zijn met verontreinigende stoffen , ' zei Longo.