Imanes basados en moléculas

Los imanes moleculares (MBM) o imanes moleculares son una clase de materiales capaces de exhibir ferromagnetismo y otros fenómenos magnéticos más complejos. Esta clase amplía las propiedades de los materiales típicamente asociados con los imanes, incluyendo baja densidad, transparencia, aislamiento eléctrico y fabricación a baja temperatura, además de combinar el ordenamiento magnético con otras propiedades como la fotorrespuesta. Esencialmente, todos los fenómenos magnéticos comunes asociados con los imanes convencionales de metales de transición y tierras raras se pueden encontrar en los imanes moleculares. Antes de 2011, se observaba que los MBM exhibían un "ordenamiento magnético con una temperatura de Curie (T_c) superior a la temperatura ambiente".La primera síntesis y caracterización de MBM fue realizada por Wickman y colaboradores en 1967. Se trataba de un compuesto de cloruro de dietilditiocarbamato-Fe(III).En febrero de 1992, Gatteschi y Sessoli publicaron un trabajo sobre los MBM, con especial atención a la fabricación de sistemas en los que radicales orgánicos estables se acoplan a iones metálicos. En esa fecha, la Tc más alta registrada, medida con el magnetómetro SQUID, fue de 30 K.El campo experimentó un auge en 1996 con la publicación del libro «Magnetismo molecular: de los conjuntos moleculares a los dispositivos».En febrero de 2007, de Jong et al. desarrollaron in situ una película delgada de MBM de TCNE, mientras que en septiembre de 2007 se demostró el magnetismo fotoinducido en un semiconductor magnético orgánico de TCNE.El número de junio de 2011 de Chemical Society Reviews se dedicó a los MBM. En el editorial, escrito por Miller y Gatteschi, se mencionan la TCNE y el ordenamiento magnético a temperatura superior a la ambiente, junto con muchas otras propiedades inusuales de los MBM.El mecanismo por el cual los imanes moleculares se estabilizan y muestran un momento magnético neto es diferente al presente en los imanes tradicionales de metal y cerámica. En los imanes metálicos, los electrones desapareados se alinean mediante efectos mecánicos cuánticos (denominados intercambio) debido a la forma en que los electrones llenan los orbitales de la banda conductora. En la mayoría de los imanes cerámicos de óxido, los electrones desapareados en los centros metálicos se alinean mediante el óxido puente diamagnético intermedio (denominado superintercambio). El momento magnético en los imanes moleculares se estabiliza típicamente mediante uno o más de tres mecanismos principales:

• A través del acoplamiento espacial o dipolar
• Intercambio entre órbitas ortogonales (no superpuestas) en la misma región espacial
• Momento neto a través de acoplamiento antiferromagnético de centros de giro no igual (ferrimagnetismo)

En general, los imanes moleculares tienden a ser de baja dimensionalidad. Las aleaciones magnéticas clásicas basadas en hierro y otros materiales ferromagnéticos presentan enlaces metálicos, con todos los átomos esencialmente unidos a sus vecinos más cercanos en la red cristalina. Por lo tanto, las temperaturas críticas en las que estos imanes clásicos pasan al estado magnético ordenado tienden a ser altas, ya que las interacciones entre los centros de espín son fuertes. Sin embargo, los imanes moleculares tienen unidades portadoras de espín en entidades moleculares, a menudo con enlaces altamente direccionales. En algunos casos, el enlace químico se limita a una dimensión (cadenas). Por lo tanto, las interacciones entre los centros de espín también se limitan a una dimensión, y las temperaturas de ordenamiento son mucho más bajas que en los imanes de metal/aleación. Además, gran parte del material magnético es esencialmente diamagnética y no contribuye en absoluto al momento magnético neto.En 2015, se demostró que los imanes oxodiméricos basados en Fe(salen) ('nanoimanes anticancerígenos') en suspensión acuosa presentaban un comportamiento ferromagnético intrínseco a temperatura ambiente, así como actividad antitumoral, con posibles aplicaciones médicas en quimioterapia, administración de fármacos magnéticos, resonancia magnética (MRI) y terapia de hipertermia local inducida por campo magnético.Los imanes moleculares comprenden una clase de materiales que difieren de los imanes convencionales en varios aspectos. La mayoría de los materiales magnéticos tradicionales están compuestos exclusivamente de metales (Fe, Co, Ni) u óxidos metálicos (CrO₂), en los que los espines de los electrones desapareados que contribuyen al momento magnético neto residen únicamente en átomos metálicos en orbitales de tipo d o f.En los imanes moleculares, los componentes estructurales son de naturaleza molecular. Estos componentes son moléculas orgánicas puras, compuestos de coordinación o una combinación de ambos. En este caso, los electrones desapareados pueden residir en orbitales d o f en átomos metálicos aislados, pero también en orbitales s y p muy localizados en las especies orgánicas puras. 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 moleculares se preparan mediante técnicas de solución a baja temperatura, a diferencia del procesamiento metalúrgico a alta temperatura o la galvanoplastia (en el caso de las películas delgadas magnéticas). Esto permite una adaptación química de los componentes moleculares para optimizar las propiedades magnéticas.Los materiales específicos incluyen imanes puramente orgánicos compuestos de radicales orgánicos, por ejemplo, nitróxidos de p-nitrofenil nitronilo, tetracianoetenuro de decametilferrocenio, compuestos de coordinación mixtos con radicales orgánicos puente, compuestos relacionados con el azul de Prusia y complejos de transferencia de carga.Los imanes moleculares obtienen su momento neto del efecto cooperativo de las entidades moleculares que los sustentan y pueden mostrar un comportamiento ferromagnético y ferromagnético masivo con una temperatura crítica real. En este sentido, se contrastan con los imanes monomoleculares, que son esencialmente superparaimanes (que presentan una temperatura de bloqueo frente a una temperatura crítica real). Esta temperatura crítica representa el punto en el que el material pasa de ser un paraimán simple a un imán masivo, y puede detectarse mediante mediciones de susceptibilidad a la corriente alterna y calor específico.