Universitat Rovira i Virgili

Dos artículos del grupo de Química Cuántica de la URV en la revista “Nature”

Jueves, 20 de noviembre de 2014

Los profesores Josep Maria Poblet y Coen de Graaf, miembros del grupo de investigación de Química Cuántica, del departamento de Química Física de la URV han firmado dos artículos que incluirá la prestigiosa revista Nature

La revista Nature incluirá dos artículos firmados por miembros del grupo de investigación de Química Cuántica, del departamento de Química Física de la URV. En uno de estos artículos se describe como crear dispositivos de memoria basados en un óxido molecular, una nueva técnica que permite reducir la medida de las celdas de datos, permitir un mayor almacenamiento y, a la larga, implementar memorias de escalera nanométrica.

En el artículo firmado por Josep Maria Poblet, responsable del grupo de investigación de Química Cuántica, se describen nuevas moléculas que permitirán mejorar los dispositivos de memoria. La llamada memòria flash es una forma de almacenamiento electrónico de datos y se utiliza en dispositivos como teléfonos inteligentes y tarjetas de memoria, pero se está llegando a los límites de la cantidad de datos que se pueden comprimir en chips convencionales . El nuevo enfoque descubierto ahora, basado en moléculas puede reducir la medida mínima de las celdas de datos, aumentar la capacidad y permitir dispositivos para las memorias flash de escalera nanométrica.

La utilización de moléculas individuales para reemplazar los componentes en almacenamiento de datos convencionales en la memoria no es nueva . Sin embargo , ha habido una serie de barreras cómo serían la baja estabilidad térmica y el alta resistencia, que han limitado la integración de componentes de memoria moleculares en tecnologías preexistentes. Ahora, dos grupos de investigación de la Universidad de Glasgow liderados por Leroy Cronin y el investigador del Departamento de Química Física e Inorgánica de la URV, Josep Maria Poblet -que ha contribuido con la parte teórica de la investigación- han desarrollado el diseño , la síntesis y la caracterización electrónica de moléculas que podrían ser utilizadas como nodos de almacenamiento para la memoria flash.

Los polioxometalatos, que se pueden ver como fragmentos de metal-óxido, son compatibles con la tecnología actual de fabricación de dispositivos y proporcionan el equilibrio adecuado de la estabilidad estructural, actividad electrónica y, además, esta funcionalidad electrónica es moldeable. Por lo tanto , las moléculas de polioxometalato parecen tener potencial para aplicaciones en la memoria flash de base molecular. Además de permitir escribir en poco espacio, son materiales inorgánicos de bajo coste, muy resistentes y aguantan temperaturas de hasta 600 grados. Esta nueva forma de preparar dispositivos permite adaptar sus propiedades. 

Los compuestos moleculares -como las agrupaciones de polioxometalatos- se usan habitualmente en los procesos de catálisis pero ahora se ha visto que se pueden utilizar también para almacenar información. El compuesto empleado en los experimentos es un polioxometalato de tungsteno con selenio en su interior. Se observó que se podía oxidar y reducir -escribir y leer - muchas veces a nivel molecular y, por lo tanto, se supuso que era uno molécula interesante para la creación de dispositivos de almacenamiento de datos. Por primera vez además, los investigadores de Glasgow han identificado un nuevo estado de oxidación por el átomo de selenio, el SeV. En el dispositivo, este proceso de oxireducción del selenio sólo se puede observar un golpe y permite ser empleado como "write-once-erase", escritura-borrado. Esta tronada permite avanzar una nueva forma de almacenamiento segura en el que el contenido sólo puede ser leído una vez por el propio destinatario, puesto que se borraría al instante.

En este estudio multidisciplinar han contribuido dos grupos de la Universidad de Glasgow, uno de síntesis y una ingeniería electrónica, y el grupo de Química Cuántica de la URV. Además del Catedrático de Química Física Josep Maria Poblet, director del grupo de Química Cuántica y ninguno del departamento Química Física e Inorgánica, ha participado en el proyecto Laia Vilà-Nadal, licenciada y doctorada en Química por la URV que actualmente es investigadora de la Universidad de Glasgow en el grupo de Leroy Cronin.

Creación de materiales "a medida"

El profesor de investigación ICREA, Coen de Graaf, miembro del grupo de Química Cuántica de la URV y catedrático honorífico de la Universidad de Groningen, ha contribuido a la descripción de una estrategia para sintetizar nuevas formas de materiales magnéticos. En otro artículo publicado también al último número de la revista Nature, se ha demostrado como una nueva orden de átomos comporta la creación de nuevos materiales magnéticos, que no se pueden formar con métodos convencionales. En esta variación de los elementos se crea esta nueva orden de átomos que hasta ahora no se había descrito y, como que en la síntesis del material se puede hacer un control muy específico, se pueden crear materiales nuevos con propiedades magnéticas determinadas.

La parte experimental de la investigación lo han desarrollado investigadores de la Universidad de Groningen, la Universidad de Zaragoza y del Instituto de Ciencia de Materiales de Barcelona (ICMAB-CSIC). Desde la URV se ha desarrollado la parte teórica de la estructura magnética.

Este tipo de materiales magnéticos son similares a los superconductors y se pueden formar imanes de capas magnéticas para poder, por ejemplo, guardar información. Son muy atractivos por la ciencia de materiales. La ventaja, según el investigador Coen de Graaf es que este material crece en capas finas "y en aplicaciones tecnológicas siempre se buscan dispositivos en capa fina porque son más fáciles de manipular". Son láminas sobre un apoyo y cuanto más finas sean más fácilmente se pueden controlar y mantienen las propiedades, al contrario de si se parte de una estructura tridimensional, por ejemplo, y se busca la capa, puesto que entonces puede perder propiedades.

El crecimiento de capas finas de los óxidos magnéticos empieza en diferentes puntos de la superficie de un material. Normalmente cuando se encuentran dos áreas de crecimiento se fusionan para formar una área homogénea. En cambio, en el trabajo se han escogido los materiales de apoyo y de la capa fina (óxido de manganeso y terbio) de forma que las áreas crecen de manera diferente, como imágenes espejo, y no se pueden fusionar cuando se encuentran. Esto da lugar a una reacción química en que los átomos de terbio -elemento químico- son reemplazados por los átomos más pequeños de manganeso. Esta nueva disposición de los átomos permite fabricar una gama mucho amplía de óxidos de manganeso y terbio en diferentes composiciones y controlar las propiedades magnéticas del material.

Larga tradición en química computacional

El grupo de Química Cuántica tiene una larga tradición en investigación en química computacional y ya han publicado en otras ocasiones en revistas la editorial Nature Publishing. El 2010, miembros del grupo encabezados por Josep Maria Poblet ya contribuyeron a la comprensión del confinamiento de pequeñas moléculas en el interior de "jaulas" de átomos de carbono, también conocidas por cajas fullerenas en un artículo que fue publicado en la revista Nature Chemistry. El próximo mes de enero otro artículo del grupo sobre la formación de fullerenos será publicado en Nature Communications. 

Referencia bibliográfica:

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.

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Clústeres de polioxometalato a escala nanométrica. / Laia Vila Nadal, Felix Iglesias Escudero, Leroy Cronin-University of Glasgow.

Los investigadores Josep Maria Poblet y Coen de Graaf, del grupo de Investigación en Química Cuántica.