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Nueva aproximación al cero absoluto con moléculas magnéticas

Investigadores del Instituto de Ciencia de Materiales de Aragón (ICMA) y otros centros internacionales han desarrollado un método para enfriar por debajo de -272,15 grados Celsius usando una molécula-imán: Gd7. Esta podría sustituir al escaso y caro helio-3, empleado hasta ahora para alcanzar esas bajísimas temperaturas en diversas técnicas de enfriamiento.

Estructura de Gd7(OH)6 y su posición en una red. / E.Palacios-M.Evangelisti et al.

Un equipo internacional de investigadores, con científicos del Instituto de Ciencia de Materiales de Aragón (ICMA, CSIC-Universidad de Zaragoza), ha logrado por primera vez enfriar por debajo de -272,15 grados Celsius (justo por encima del cero absoluto que es -273,15 ºC) utilizando moléculas magnéticas. El estudio se ha publicado en la revista Nature Communications.

Según los autores, el hallazgo puede revolucionar las técnicas de enfriamiento empleadas en aparatos de resonancia magnética, satélites o licuadores de hidrógeno y gas natural (imprescindible para su transporte) entre otras muchas utilidades, reduciendo además notablemente su coste.

Es la primera vez que se logra enfriar a menos de un grado Celsius del cero absoluto utilizando moléculas magnéticas

Para este trabajo, el equipo ha desarrollado una innovadora y eficaz técnica de 'enfriamiento sub-kelvin', basada en el uso de la molécula-imán Gd7, compuesta por gadolinio (Gd) y otros elementos. Esta tiene un magnetismo que triplica al del hierro, con una estructura parecida a la de un copo de nieve y unas peculiaridades en su comportamiento que hacen doblar la eficiencia de los métodos utilizados hasta ahora basados en el isótopo helio-3.

Sin embargo, el gas refrigerante helio-3 no existe en la naturaleza, se produce artificialmente en reactores nucleares y en 2012 rondaba los 5.000 € por gramo. Se calcula que en todo el mundo solo hay unos 30 kilos y quien tiene helio-3 no lo vende, por lo que se podría decir que no hay mercado. Además, al ser un gas termina por fugarse a la atmósfera siendo imposible recuperarlo.

Un gramo de Gd7 producido en laboratorio no cuesta más de 100 euros, se puede sintetizar en grandes cantidades e incluso el precio bajaría mucho si se generase de forma industrial. Es un sólido que no se pierde ni se estropea y su eficiencia es el doble que la del gas: para conseguir la misma refrigeración se gasta la mitad de energía. Incluso duplica la eficiencia de los sistemas y prototipos actuales de enfriamiento magnético a bajas temperaturas que utilizan otros materiales conocidos hace ya 20 años.

Colaboración europea

El profesor Elias Palacios y el doctor Marco Evangelisti han desarrollado en los laboratorios de bajas temperaturas del ICMA, un sistema original de medida que permite observar de modo directo, y verificar experimentalmente, las propiedades refrigerantes del Gd7. Una técnica novedosa que consigue mayor precisión que las medidas magneto-térmicas convencionales, que se limitan a estimaciones indirectas.

Por su parte, el profesor Eric J. L. McInnes y su grupo de investigación de la Universidad de Manchester (Reino Unido) fueron quienes lograron sintetizar la compleja molécula Gd7. Y las simulaciones por ordenador del grupo del profesor Jürgen Schnack, de la Universidad alemana de Bielefeld, muestran que la disminución gradual del campo magnético aplicado hace que esta molécula primero se enfríe, a continuación se caliente y finalmente vuelva a enfriarse hasta alcanzar una temperatura mínima, muy cercana al cero absoluto en la escala Kelvin. Este comportamiento complejo difiere y mejora el rendimiento del helio-3 y ha sido verificado experimentalmente en el ICMA.

Referencia bibliográfica:

Joseph W. Sharples, David Collison, Eric J.L. McInnes, Jürgen Schnack, Elias Palacios, Marco Evangelisti. “Quantum signatures of a molecular nanomagnet in direct magnetocaloric measurements”.Nature Communications, 2014.

Fuente: SINC
Derechos: Creative Commons
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