Un estudio publicado en la revista Advanced Materials investiga las propiedades barocalóricas del Fe3(bntrz)6(tcnset)6, un material molecular que contiene un complejo metálico que sufre un intercambio de estado de espín abrupto a una temperatura cercana a temperatura ambiente. Este tipo de materiales, con un efecto calorífico gigante, son los mejores candidatos para desarrollar nuevos refrigerantes eficientes y respetuosos con el medio ambiente que deben reemplazar a los dispositivos actuales, los cuales presentan una baja eficiencia y utilizan fluidos nocivos. Durante el estudio, se llevaron a cabo medidas de difracción a alta presión y temperatura en la línea de luz MSPD del Sincrotrón ALBA.

Figura. De izquierda a derecha: Modelo 3D del complejo metálico trinuclear Fe3(bntrz)6(tcnset)6; Ilustración esquemática del SCO para un ion de un metal de transición con una configuración electrónica d6. La transición puede venir inducida por variaciones de temperatura (∆T), presión (∆p) o irradiación de luz (hν); Patrones de difracción en polvo isotérmica (T = 360 K) a p = 2.6 kbar (c) y p = 0.9 kbar (d); Variaciones de entropía (∆S) reversible isotérmica en compresión y descompresión en función de la temperatura a diferentes presiones. Variaciones de temperatura (∆T) reversible adiabática en compresión y descompresión, en función de la temperatura a diferentes presiones.

Cerdanyola del Vallès, 3 de febrero de 2021.

El estudio de materiales con un efecto calorífico gigante (cambios térmicos reversibles inducidos por un estímulo externo), es un tema candente en la actualidad dentro de la Ciencia de Materiales. Ya que se trata de los mejores candidatos para desarrollar nuevos refrigerantes eficientes y respetuosos con el medio ambiente que deben reemplazar a los dispositivos actuales, los cuales presentan una baja eficiencia y utilizan fluidos nocivos.

Investigaciones exhaustivas han mostrado que los efectos caloríficos en materiales de estado sólido se pueden desencadenar por varios estímulos externos: campo magnético (efecto magnetocalórico), campo eléctrico (efecto electrocalórico), estrés uniaxial (efecto elastocalórico), presión hidrostática (efecto barocalórico) o una combinación de diferentes estreses.

Mientras que los efectos magnetocalóricos y electrocalóricos requieren de materiales polarizados eléctrica o mecánicamente, los efectos barocalóricos se pueden encontrar en cualquier material que sea compresible, lo que los hace más interesantes.

Existe, por lo tanto, una necesidad de encontrar materiales calóricos que exhiban grandes variaciones tanto de entropía isotérmica como de temperatura adiabática, para los cuales estas variaciones sean reproducibles tras aplicar varios ciclos y eliminar la presión hidrostática.

Un estudio recientemente publicado en la revista Advanced Materials, investiga las propiedades barocalóricas del Fe3(bntrz)6(tcnset)6, un material molecular que contiene un complejo metálico que sufre un intercambio de espín abrupto (transición spin-crossover) a una temperatura cercana a temperatura ambiente. El trabajo lo llevó a cabo un equipo de la Universitat de Barcelona, la Universitat Politècnica de Catalunya, la Florida State University (EEUU), la University of Science and Technology Beijing (China) y la Ankara University (Turquía), en colaboración con el Sincrotrón ALBA.

Los resultados muestran que el desempeño barocalórico para este material supera con creces a aquellos reportados con anterioridad para compuestos de spin-crossover y a la mayoría de materiales barocalóricos. En contraste con multitud de materiales barocalóricos, las impresionantes variaciones de entropía isotérmica (ΔS) y temperatura adiabática (ΔT) parecen ser reversibles para valores bajos de presión aplicada, sobre un amplio rango de temperaturas, subrayando el potencial valor práctico de este material barocalórico.

El equipo recopiló patrones de difracción de rayos X en función de la presión hidrostática y la temperatura en la línea de luz MSPD del Sincrotrón ALBA. Utilizando los patrones recogidos a temperaturas seleccionadas los investigadores determinaron la dependencia con la temperatura de los parámetros y volumen de la celda unidad, los cuales muestran un cambio brusco en el momento de la transición de spin-crossover (SCO).

Se determinó, además, el volumen de la expansión térmica cerca de la transición SCO para los estados de alto y bajo espín.

Ampliando el conocimiento de investigaciones previas

Recientemente, se ha reportado una familia de compuestos orgánicos – también estudiados en ALBA -  que exhiben variaciones de entropía con valores similares a los de los fluidos refrigerantes utilizados en refrigeradores comerciales. A pesar de este importante logro, las variaciones de temperatura adiabática de estos materiales siguen siendo moderadas.

Un inconveniente muy relevante para futuras aplicaciones en dispositivos de estos materiales barocalóricos recién reportados, es la restringida reproducibilidad de los efectos colosales tras aplicar ciclos de presión, debido a una histéresis térmica significativa de la fase de transición que conduce al efecto barocalórico.

Se espera que estos descubrimientos tengan un fuerte impacto en los campos de estudio de imanes moleculares orgánicos y materiales con un efecto calórico gigante. Estimularán más investigación sobre los efectos barocalóricos observados en los materiales de spin-crossover, especialmente en cuanto a los principios de identificación y diseño que pueden conducir a transiciones de espín abruptas, pero no histeréticas.

Referencia: Michela Romanini, YiXu Wang, Kübra Gürpinar, Gladys Ornelas, Pol Lloveras, Yan Zhang, Wenkai Zheng, Maria Barrio, Araceli Aznar, Adrià Gràcia‐Condal, Baris Emre, Orhan Atakol, Catalin Popescu, Hu Zhang, Yi Long, Luis Balicas, Josep Lluís Tamarit, Antoni Planes, Michael Shatruk and Lluís Mañosa. Giant and Reversible Barocaloric Effect in Trinuclear Spin-Crossover Complex Fe3(bntrz)6(tcnset)6. Advanced Materials. DOI: 10.1002/adma.202008076