Els professors Josep Maria Poblet i Coen de Graaf, membres del grup de recerca de Química Quàntica, del departament de Química Física de la URV han signat dos articles que inclourà la prestigiosa revista Nature

La revista Nature inclourà dos articles signats per membres del grup de recerca de Química Quàntica, del departament de Química Física de la URV.  En un d’aquests articles es descriu com crear dispositius de memòria basats en un òxid molecular, una nova tècnica que permet reduir la mida de les cel·les de dades, permetre un major emmagatzematge  i, a la llarga, implementar memòries d’escala nanomètrica.

En l’article signat per Josep Maria Poblet, responsable del grup de recerca de Química Quàntica, es descriuen noves molècules que permetran millorar els dispositius de memòria. L’anomenada memòria flash és una forma d’emmagatzematge electrònic de dades i s’utilitza en dispositius com telèfons intel·ligents i targetes de memòria, però s’està arribant als límits de la quantitat de dades que es poden comprimir en xips convencionals . El nou enfocament  descobert ara, basat en molècules pot reduir la mida mínima de les cel·les de dades, augmentar la capacitat i permetre  dispositius per a les memòries flaix d’escala nanomètrica.

La utilització de molècules individuals per reemplaçar els components  en emmagatzematge de dades convencionals en la memòria no és nova . No obstant això , hi ha hagut una sèrie de barreres com serien la baixa estabilitat tèrmica i l’alta resistència, que han limitat la integració de components de memòria moleculars en tecnologies preexistents . Ara, dos grups de recerca de la Universitat de Glasgow liderats per Leroy Cronin i l’investigador del Departament de Química Física i Inorgànica de la URV, Josep Maria Poblet -que ha contribuït amb la part teòrica de la recerca- han desenvolupat el disseny, la síntesi i la caracterització electrònica de molècules que podrien ser utilitzades  com a nodes d’emmagatzematge per a la memòria flash.

Els polioxometal·lats, que es poden veure com a fragments de metall-oxid, són compatibles amb la tecnologia actual de fabricació de dispositius i proporcionen l’equilibri adequat de l’estabilitat estructural, activitat electrònica i, a més, aquesta funcionalitat electrònica és modelable. Per tant , les molècules de polioxometal·lat semblen tenir potencial per a aplicacions en la memòria flash de base molecular.  A més de permetre escriure en poc espai, són materials inorgànics de baix cost, molt resistents i aguanten temperatures de fins a 600 graus. Aquesta nova forma de preparar dispositius permet  adaptar les seves propietats.

Els compostos moleculars -com les agrupacions de polioxometal·lats- es fan servir habitualment  en els processos de catàlisi però ara s’ha vist que es poden utilitzar també per emmagatzemar informació. El compost emprat en els experiments és un polioxometal·lat de tungstè amb seleni al seu interior. Es va observar que es podia oxidar i reduir -escriure i llegir – moltes vegades a nivell molecular i, per tant, es va suposar que era un molècula interessant per a la creació de dispositius d’emmagatzematge de dades. Per primer cop a més, els investigadors de Glasgow han identificat un nou estat d’oxidació  per l’àtom de seleni, el SeV.  En el dispositiu, aquest procés d’oxireducció del seleni només es pot observar un cop i permet ser emprat com “write-once-erase”, escriptura-esborrat. Aquesta tronada permet avançar una nova forma d’emmagatzematge segura en el que el contingut només pot ser llegit una vegada pel propi destinatari, ja que s’esborraria a l’instant.

En aquest estudi multidisciplinar  hi han contribuït  dos grups de la Universitat de Glasgow, un de síntesis i una enginyeria electrònica, i el grup  de Química Quàntica de la URV.  A més del Catedràtic de Química Física Josep Maria Poblet, director del grup de Química Quàntica i cap del departament Química Física i Inorgànica, ha participat en el projecte Laia Vilà-Nadal, llicenciada i doctorada en Química per la URV que actualment és investigadora de la Universitat de Glasgow en el grup de Leroy Cronin.

Creació de materials “a mida”

El professor d’investigació ICREA, Coen de Graaf, membre del grup de Química Quàntica de la URV i catedràtic honorífic de la Universitat de Groningen, ha contribuït a la descripció d’una estratègia per  sintetitzar noves formes de materials magnètics. En un altre article publicat també al darrer número de la revista Nature, s’ha demostrat com una nova ordre d’àtoms comporta la creació de nous materials magnètics, que no es poden formar amb mètodes convencionals. En aquesta variació dels elements es crea aquesta nova ordre d’àtoms que fins ara no s’havia descrit i, com que en la síntesi del material es pot fer un control molt específic, es poden crear materials nous amb propietats magnètiques determinades.

La part experimental de la recerca l’han desenvolupat investigadors de la Universitat de Groningen, la Universitat de Saragossa i de l’ Institut de Ciència de Materials de Barcelona (ICMAB-CSIC). Des de la URV s’ ha desenvolupat la part teòrica de l’estructura magnètica.

Aquest tipus de materials magnètics són similars als superconductors i es poden formar imans de capes magnètiques per poder, per exemple, guardar informació. Són molt atractius per la ciència de materials. L’avantatge, segons l’investigador Coen de Graaf és que aquest material creix en capes fines “i en aplicacions tecnològiques sempre es busquen dispositius en capa fina perquè són més fàcils de manipular”. Són làmines sobre un suport i com més fines siguin més fàcilment es poden controlar i mantenen les propietats, al contrari de si es parteix d’una estructura tridimensional, per exemple, i es busca la capa, ja que llavors pot perdre propietats.

El creixement de capes fines dels òxids magnètics comença en diferents punts de la superfície d’un  material. Normalment quan es troben dues àrees de creixement es fusionen per formar una àrea homogènia. En canvi, en el treball s’han escollit els materials de suport i de la capa fina (òxid de manganès i terbi) de manera que les àrees creixen de manera diferent, com imatges mirall, i no es poden fusionar quan es troben. Això dóna lloc a una reacció química en que els àtoms de terbi -element químic-  són reemplaçats pels àtoms més petits de manganès. Aquesta nova disposició dels àtoms permet fabricar una gamma molt amplia d’òxids de manganès i terbi en diferents composicions i controlar les propietats magnètiques del material.

Llarga tradició en química computacional

El grup de Química Quàntica té una llarga tradició en investigació en química computacional i ja han publicat en altres ocasions en revistes l’editorial Nature Publishing. El 2010, membres del grup encapçalats per Josep Maria Poblet ja van  contribuir a la comprensió del confinament de petites molècules a l’interior de “gàbies” d’àtoms de carboni, també conegudes per caixes ful·lerèniques en un article que va ser publicat a la revista Nature Chemistry. El proper més de gener un altre article del grup sobre la formació de ful·lerens serà publicat a Nature Communications.

Referència bibliogràfica:

Christoph Busche, Laia Vilà-Nadal, Jun Yan, Haralampos N. Miras, De-Liang Long, Vihar P. Georgiev, Asen Asenov, Rasmus H. Pedersen, Nikolaj Gadegaard, Muhammad M. Mirza, Douglas J. Paul, Josep M. Poblet  y Leroy Cronin . “Design and fabrication of memory devices based on nanoscale polyoxometalate clusters”. Nature, 20 de novembre de 2014.

S. Farokhipoor, C. Magén, S. Venkatesan, J. Íñiguez, C. J. M. Daumont, D. Rubi, E. Snoeck, M. Mostovoy, C. de Graaf, A. Müller, M. Döblinger, C. Scheu, B. Noheda. “Artificial chemical and magnetic structure at the domain walls of an epitaxial oxide” Nature, 20 de novembre de 2014.