Un magnetico (e minuscolo) futuro per i nostri telefoni

Sin da bambini, molti di noi sono stati affascinati dal magnetismo, dall’intrigante capacità delle calamite di attrarsi o respingersi fra di loro. Crescendo, abbiamo poi imparato che le proprietà magnetiche di alcuni composti sono alla base di molte fra le più importanti tecnologie nella storia dell’umanità: dalle più rudimentali bussole, ai motori elettrici e alle memorie magnetiche dei dispositivi elettronici moderni. 

Tipico disco rigido per PC
[di christopher_muschitz da Pixabay]

Quest’ultimo esempio è particolarmente interessante, dato che lo stoccaggio di grosse quantità di informazioni sotto forma di memoria digitale è uno dei grandi temi della nostra epoca.

Attualmente, le memorie dei nostri PC e smart phone sono basati su solidi inorganici semplici, come l’ossido di ferro (Fe2O3), o un po’ più avanzati, come alcune leghe a base di cobalto. Questi composti sono caratterizzati da una struttura policristallina, cioè possiamo immaginarli come l’insieme di tanti minuscoli granelli.

Ciascuno di questi granelli possiede un momento magnetico, e viene definito ‘dominio’.
Quando i nostri dispositivi ‘scrivono’ su queste memorie, non fanno altro che impartire ai domini un certo tipo di magnetizzazione, generalmente definito come up o down, a seconda della disposizione (o, più correttamente, dello spin) degli elettroni nel materiale: questi due stati corrispondono ai valori 0 e 1 usati nei codici binari informatici.

Analogamente, quando i dispositivi ‘leggono’ queste memorie, rilevano il campo magnetico dei domini e, in base alla loro orientazione, considerano bit con valore 0 o 1. Insomma, l’informazione chimica diventa informazione digitale e viceversa!

La tecnologia delle memorie magnetiche si è evoluta rapidamente, permettendoci oggi di immagazzinare nei nostri cellulari la stessa quantità di informazioni che pochi decenni fa avrebbe richiesto computer grandi quanto una stanza.

Nonostante questo, la richiesta di memorie più capienti e performanti è ancora estremamente forte. Una delle frontiere tecnologiche in quest’ambito è quella dei cosiddetti ‘magneti a singola molecola’, scoperti all’inizio degli anni ’90 nei laboratori dell’Università di Firenze in collaborazione con alcuni istituti americani.

Questi composti sono, appunto, singole molecole in grado di comportarsi come magneti.
Attenzione, perché questo è un dettaglio importante! I domini magnetici di cui abbiamo parlato prima sono di dimensioni molto piccole rispetto a quelle a cui siamo abituati nella nostra vita quotidiana tuttavia, sulla scala degli atomi, dobbiamo immaginarli come dei reticoli di sfere piuttosto estesi.

La possibilità di rimpiazzare questi oggetti relativamente grossi con molecole anche molto piccole, permetterebbe di immagazzinare informazioni molto più efficientemente.

Inoltre, l’utilizzo di molecole semplici e ben definite al posto di reticoli piuttosto complessi, è molto conveniente per ottimizzare le prestazioni dei dispositivi in maniera mirata. 

Haematite unit cell
Cella unitaria del reticolo cristallino di Fe2O3
[da Wikipedia]

In teoria, molte molecole organiche e metallorganiche posseggono proprietà magnetiche, ma solo pochi composti possono trovare applicazione come magneti molecolari.

Quest’ultimi, infatti, non solo devono essere in grado di interagire con dei campi magnetici esterni, ma devono anche essere in grado di assumere una certa magnetizzazione e conservarla nel tempo. 

Un parametro importante a questo riguardo è la temperatura di Curie (TC): essa è caratteristica di ogni materiale, ed identifica la soglia al di sopra della quale le molecole non riescono a conservare uno stato magnetico ordinato, a causa del disordine indotto delle vibrazioni molecolari. Sfortunatamente, la TC della maggior parte delle molecole è estremamente bassa e prossima allo zero assoluto (0 K, ovvero -273 ᵒC), il che ostacola fortemente l’applicazione di questi composti in prodotti commerciali.

Nonostante le difficoltà, le strategie per lo sviluppo di magneti a singola molecola con una TC accettabile (per esempio, prossima alla temperatura di ebollizione dell’azoto, -196 ᵒC) sono in rapida evoluzione, e c’è da sperare che si arrivi presto ad una svolta.

Un esempio interessante è stato riportato recentemente dai gruppi dei Prof. Chilton e Mills della University of Manchester.
I ricercatori hanno sintetizzato un particolare composto a base di disprosio (un metallo delle terre rare, quelli sul fondo della tavola periodica) in grado di mantenere uno stato magnetico ordinato fino a -213  ᵒC, una delle temperature più alte riportate finora.

Magnete molecolare a singola molecola introdotto dai gruppi dei Prof. Chilton e Mills
(tBu = ter-butile)
[per gentile concessione dell’autore]

Dunque, i magneti a singola molecola rappresentano un affascinante ambito di ricerca che abbraccia chimica, fisica e ingegneria informatica. Nonostante sia un campo relativamente giovane e ancora alle prese con difficili sfide tecnologiche, c’è da scommettere che avrà un enorme impatto sul futuro dell’informatica, inclusi i cosiddetti computer quantistici.

Francesco Zaccaria
Ha cominciato a specializzarsi in chimica nel 2009, da allora non ha mai smesso di divertirsi, anche se non ha ancora veramente capito che cosa sta facendo!

Fonti e approfondimenti:

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