Article publicat al J.Physical Chemistry C: magnetisme de monocapes de molècules de FePc sobre Ag(100) controlat mitjançant oxigenació

La Dra. Elena Bartolomé professora de l’EUSS, acaba de publicar un article al Journal of Physical Chemistry C (factor d’impacte: 4.3), titulat “Augment del Magnetisme en monocapes FePc/Ag(110) a través de l’Oxigenació”. Aquest treball ha estat possible gràcies a una col·laboració entre investigadors de diversos centres, experts en diverses tècniques de deposició i caracterització de molècules sobre superfícies: l’EUSS, l’Instituto de Ciencia de Materiales de Aragón (ICMA-CSIC), l’ICN2 de Barcelona, la Universitat de Pàdua (Itàlia) i els Sincrotrons d’ALBA (Barcelona) i ESRF (Grenoble).

Les capes moleculars sobre substrats cristal·lins tenen un ampli camp d’aplicació en catàlisi, detecció, electrònica molecular, conversió de llum a energia, etc. En particular, les molècules de ftalocianina de ferro (FePc) s’estan investigant com a substituts dels metalls preciosos en la catàlisi de la reacció de reducció d’oxigen en piles de combustible a baixa temperatura.

(Esquerra): Fase obliqua (OB1) de FePc/Ag(100): imatge de microscòpia STM que mostra la distribució de molècules no-oxidades, oxidades rotades (en verd) i rotades (en blau) de la fase OB1 oxidada, i el seu espectre de XMCD; (Dreta): Fase rectangular R3 de FePc/Ag(100): la imatge de STM mostra una molècula no oxidada i una oxidada-rotada; l’espectre de XMCD demostra el canvi en el magnetisme que es produeix en oxigenar aquesta fase.

Les molècules de FePc evaporades en condicions d’ultrabuit sobre una superfície d’Ag (110) s’autoorganitzen segons diferents fases, rectangulars obliqües amb una densitat creixent, R1<R2<OB1<R3<OB2. En aquest treball s’ha investigat la capacitat d’absorció d’oxigen de les diferents fases, i els canvis  magnetoestructurals associats amb l’oxigenació. L’estudi combina la microscòpia de túnel de rastreig i espectroscòpia (STM / STS), dicroisme circular magnètic de rajos X (XMCD) i càlculs de teoria funcional de densitat (DFT).

Les imatges de STM mostren que l’oxigenació de les fases rectangulars de FePc/Ag (110) generalment implica un desplaçament i una rotació de les molècules, que afecta l’estat electrònic dels centres de Fe. En la fase obliqua la  intercalació d’oxigen entre FePc i substrat té dificultats estèriques, fins al punt que una fracció de les molècules s’oxigena sense canviar de posició i rotar. Els espectres de STS mostren clares diferències en la densitat local dels estats Fe en els diferents tipus de molècules. A més, els espectres de XAS i XMCD reflecteixen la distribució d’espècies de FePc existents en les diferents fases (no oxigenades, oxigenades-rotades i oxigenades-no rotades). L’aplicació de les regles de la suma ha permès calcular el moment efectiu i orbital del Fe en les diferents espècies de FePc. De forma notable, es pot augmentar el moment magnètic de les molècules de FePc amb l’oxigenació aproximadament en un ordre de magnitud, arribant a 2,2 μB per àtom de Fe.

Nou article a la revista, IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement

El Dr. Miquel Àngel Amer professor de l’EUSS, acaba de publicar un article a la revista IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, titulat “Multichannel QCM-Based System for Continuous Monitoring of Bacterial Biofilm Growth”, fruit de la seva col·laboració amb investigadors del Grup de Sistemes Sensors, del Departament d’Electrònica de la UPC.  

En el camp de la biologia, els sensors basats en microbalances de cristall de quart (QCM) estan esdevenint una bona alternativa als mètodes analítics per a la mesura del creixement bacterià en el cultiu de medis líquids. Hi ha dos paràmetres de ressonància essencials que permeten la monitorització de la formació del biofilm: el canvi de freqüència de ressonància en sèrie i el canvi de resistència a aquesta freqüència. Això no obstant, la determinació d’aquests paràmetres és problemàtica, ja que la seva variació relativa és molt petita. Per això, és necessari implementar procediments acurats per la mesura dels paràmetres de ressonància QCM, inclosa la calibració automàtica dels efectes de resposta de freqüència dels circuits de mesura i de la compensació automàtica de la capacitat elèctrica estàtica de la QCM.

Figura: (a, b) Fotografies del sensor QCM; (c) Prototip del sistema multicanal de monitorització; (d) Interfície gràfica de resultats del sistema multicanal.

En l’article recentment publicat, es proposa i demostra un nou sistema multicanal per al control de la formació de biofilm basat en sensors QCM. Els resultats obtinguts, basats en barreges binàries de mesuraments d’aigua-glicerol i experiments reals de microorganisme, estan d’acord amb el comportament teòric. Aquests resultats demostren el gran potencial d’aquest instrument pel control del creixement microbià i la formació de biofilms.

Article publicat a: Superconducting Science and Technology

La Dra. Elena Bartolomé professora de l’EUSS, acaba de publicar un article a la revista Superconductor Science and Technology, titulat “Vortex pinning properties at dc and microwave frequencies of YBa2Cu3O7-x films with nanorods and nanoparticles”. Aquest treball és fruit de la col·laboració entre investigadors de l’EUSS, l’Institut de Ciència de Materials de Barcelona (ICMAB-CSIC), i la Università di Roma (Italia).

Els nanocomposites basats en el superconductor YBCO per aplicació en cables han de ser capaços de funcionar en una ampla gamma de freqüències, que van des de DC en els imants fins als GHz en cavitats i filtres en els futurs acceleradors de partícules. En aquest treball s’ha investigat l’eficiència d’ancoratge de vòrtex en funció del camp magnètic, aplicat en diferents direccions, en un rang de freqüències des de 0-50 GHz de dos tipus de nanocomposites: capes de YBCO crescudes per PLD (puled laser deposition) amb nanopilars de Ba2YNbO6 (BYNTO), i nanocomposites preparats per mètodes químics (CSD, chemical solution deposition) amb nanopartícules de BaHfO3 (BHO), així com capes primes de YBCO de referència, crescudes sobre substrats cristal·lins.

figura: (Esquerra) Densitat de corrent crític en funció del camp aplicat a 65 K mesurat per transport (DC) i (Dreta) Constant d’ancoratge dels vòrtexs deduït de mesures de MW a 0.5T, en els nanocomposites estudiats de YBCOPLD amb nanopilar, YBCOCDS amb nanopartícules i capes primes de referència.

Les mesures de transport realitzades a camps de 9 T i temperatures d’entre 5-77 K mostren que els nanocomposites de CSD presenten un decreixement del corrent crític amb el camp suau, i un camp de crossover H* (entre les regions d’ancoratge de vòrtexs individual a col·lectiu) major que el de les capes primes, a conseqüència de la contribució isotròpica addicional introduïda pels nanopartícules. En canvi, en les capes de PLD el camp de crossover H* no s’altera, i les mostres presenten densitats de corrent crític superiors, fins a camps magnètics molt alts, gràcies a la contribució anisotròpica introduïda pels nanopilars. A més, les mesures de microones han permès estudiar el constant d’ancoratge dels vòrtexs, i demostren que mentre les mostres CSD tenen una dependència kp(H) qualitativament similar que les capes primes de referència, les mostres de PLD presenten una dependència kp(H) creixent.

Article a ACS Applied Nano Materials: magnetisme associat a vacants dins del superconductor de YBCO

La Dra. Elena Bartolomé professora de l’EUSS, acaba de publicar un article a l’ACS Aplied Nano Materials, una revista amb un índex d’impacte molt alt en l’àmbit dels materials (IF previst enguany de 10), titulat “Magnetism dins del YBCO associat a vacants de Cu-O allotjades en els defectes d’apilament: implicacions per a les prestacions del superconductor”. Aquest treball ha sigut fruit d’una llarga i profitosa col·laboració, els primers experiments daten del 2016, entre investigadors i investigadores de l’EUSS, de l’Institut de Ciència de Materials de Barcelona (ICMAB-CSIC), i del Sincrotró ALBA de Barcelona.

Esquerra: Imatge de microscòpia STEM del superconductor YBCO amb defectes de Cu-O dins dels defectes d’apilament; Dreta: espectres de XMCD que demostren la diferència del senyal magnètic entre la superfície, plena de defectes, i l’interior de la capa prima de superconductor, on hi ha una baixa densitat de defectes.

Els defectes d’apilament Y124 són omnipresents en el YBCO, el superconductor ceràmic d’alta temperatura més important per a diverses aplicacions de potència. Lluny de ser perjudicials, els defectes poden ser beneficiosos per a millorar les prestacions del superconductor. Recentment, l’ús de tècniques avançades de microscòpia electrònica de transmissió (STEM) ha permès descobrir la presència de defectes puntuals complexos (clústers de vacants de Cu-O) dins del Y124, amb un moment magnètic associat. En aquest treball, s’ha investigat la naturalesa d’aquest magnetisme associat a defectes en el si del superconductor, mitjançant l’estudi de diversos tipus de mostres de YBCO (pel·lícules primes, nanocomposites i un monocristall) amb diferents distribucions de defectes d’apilament.

S’han combinat diverses tècniques de caracterització com ara el dicroisme circular magnètic de rajos X (XMCD) sota llum de sincrotró, la microscòpia d’alta resolució STEM i l’espectroscòpia EELs. El senyal dicroic de Cu es correlaciona amb la densitat de defectes, demostrant l’origen del magnetisme. Notablement, s’observa un senyal de Cu XMCD fins i tot en el monocristall, associat a la petita però inevitable presència de defectes en superfície. Es demostra així la ubiqüitat del magnetisme incrustat en el YBCO associat a Y124 amb defectes. 

L’addició controlada de defectes puntuals de Cu-O podria permetre augmentar la densitat de corrent crític de les cintes superconductores basades en YBCO, per a aplicacions que funcionen a temperatures baixes i camps magnètics elevats, com ara imants per acceleradors, fusió, sistemes mèdics (RMN), etc.

Superconductivitat: de la ciència de materials a les aplicacions pràctiques

La Dra. Elena Bartolomé ha participat en la redacció del capítol 3 del llibre, “Superconductivity: from materials science to practical Applications”, de l’editorial Springer Nature (2019). Els superconductors són uns materials molt importants per la futura producció sostenible d’energia, el seu transport i emmagatzematge, així com per aplicacions mèdiques i el desenvolupament de nous dispositius electrònics.

“Superconductivity: From Materials Science to Practical Applications”, Springer Nature (2019) ISBN  978-3-030-23302

En aquest llibre es presenta una revisió de l’estat de l’art de les tècniques i metodologies  involucrades en el creixement, producció i caracterització dels materials superconductors per a aplicacions. En el capítol 3, “An atomic-scale perspective of the challenging microstructure of YBCO thin-films” (B. Mundet, R. Guzmán, E. Bartolomé, A.R. Lupini, S. Hartman, R. Misrha and J. Gázquez), els autors descriuen com gràcies a la combinació de tècniques com ara la microscòpia TEM de molt alta resolució, l’espectroscòpia EELS, les mesures XMCD-XAS de sincrotró i les simulacions DFT, ha sigut possible determinar en temps recents l’estructura atòmica, la química així com l’estructura electrònica i magnètica dels defectes presents en capes primes de superconductor de YBCO.