科学家生产出具有许多潜在应用的磁性纳米晶体

尖晶石是具有AB 2 O 4类型化学式的氧化物，其中A 是二价金属阳离子(正离子)，B 是三价金属阳离子，O 是氧。尖晶石因其美丽而受到重视，这源于分子的空间构型，但其中三价阳离子 B 由元素铬 (Cr) 组成的尖晶石很有趣，原因与美学无关：它们具有磁性大量潜在的技术应用，包括气体传感器、药物载体、数据存储介质和电信系统组件。

巴西和研究人员的一项研究调查了一种特殊的尖晶石：锌掺杂的锰铬矿。这种材料的纳米颗粒，由公式 Mn 0.5 Zn 0.5 Cr 2 O 4 [其中锰 (Mn) 和锌 (Zn) 构成 A 位二价阳离子] 描述，在实验室中合成，并通过基于密度泛函的计算表征理论(DFT)，一种源自量子力学的方法，用于固态物理和化学以解决复杂的晶体结构。

通过X射线衍射、中子衍射、X射线光电子能谱和拉曼光谱测定了材料的结构、电子、振动和磁性能。该研究的报告已发表在《磁性与磁性材料杂志》上，标题为“Zn2+ 取代的 MnCr2O4 纳米粒子的结构、电子、振动和磁性特性”。

参与这项研究的巴西科学家隶属于功能材料研究与开发中心 (CDMF)，该中心是由圣保罗研究基金会 (FAPESP) 支持的研究、创新和传播中心 (RIDC) 之一。

在 19 开尔文(-254.15 摄氏度)下建立了顺磁到反铁磁的相变。顺磁性材料被外部磁场吸引，因为它们的原子或分子每个都有一个带有不成对自旋的电子。磁性材料有几个有组织的不成对电子，这些电子的累积效应产生磁吸引力。在反磁或反铁磁材料中，所有电子的自旋都是成对的，因此对于每个自旋向上的电子，都有一个自旋向下的电子。因此，它们对中等外部磁场的存在没有明显的反应。

“我们对这种材料的兴趣是由于它的磁性，”该研究的作者之一 Elson Longo 说。Longo 是巴西圣保罗州圣卡洛斯联邦大学 (UFSCar) 化学系的名誉教授，也是 CDMF 的首席研究员。

“传统研究从整个系统的角度来看一般地考虑磁性，而我们已经开发了一种量子力学方法来根据材料晶体结构表面的形态确定磁性，”Longo 说。“即使在合成任何材料之前，我们也能够从理论上预测其磁性。在这种特定情况下，我们预计锌会促进具有磁性的表面增加，而这确实发生了。”

根据 Longo 的说法，要正确理解，应该在三个不同的尺度上考虑晶体。“远距离，我们有整个晶体。在短距离，我们有尽可能小的原子簇。在中等距离，我们有两个或更多的簇相互作用。如果一个簇是完全有序的，它就不会显示顺磁性行为，更不用说磁性行为，因为对于每个自旋向上的电子，都会有一个抵消的自旋向下电子。但是，如果发生任何变化——例如，如果化学键角发生变化——那么未配对的电子可能出现，材料可能会变得顺磁性甚至磁性，”他说。

这种干扰也可能是中距离相互作用的结果。因此，磁性可以通过短距离和中距离的变化产生。

相同的材料可以根据某些参数的变化表现出不同的特性，这与材料的合成方式有关。

“CDMF 正在进行研究，重点是确定具有杀菌和杀菌特性的非常便宜的材料。应用之一是生产包装以延长食品的保质期。

“另一个重点是识别具有抗癌特性的无机材料。第三条研究旨在寻找能够分解有机分子并将其转化为二氧化碳和水的光降解材料。这些材料可用于清理被污染物污染的河流，”龙哥说。

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