Clústeres magnéticos en la fase paramagnética de una estructura metal-orgánica ferromagnética de alta temperatura

Imanes construidos a partir de esponjas de átomos

Los imanes suelen evocar barras pesadas de metal o elegantes diafragmas de auriculares, no cristales aireados y porosos. Este estudio explora un nuevo tipo de imán formado por una estructura metal-orgánica, un material altamente poroso más conocido por captar gases. El trabajo revela cómo un cristal tan ligero y químicamente afinable puede comportarse como un imán cercano a la temperatura ambiente y al mismo tiempo albergar un comportamiento magnético sutil en forma de clústeres, típico de óxidos metálicos densos.

Por qué los cristales porosos pueden convertirse en imanes

Las estructuras metal-orgánicas se construyen a partir de átomos metálicos unidos por ligandos orgánicos, formando redes abiertas atravesadas por pequeñas cavidades. Su estructura y química pueden ajustarse casi a voluntad, lo que las ha hecho populares para almacenamiento y separación de gases, y catálisis. Sin embargo, convertirlas en imanes fuertes es difícil porque los metales quedan separados por moléculas no magnéticas, lo que suele debilitar la interacción entre momentos magnéticos y desplaza la temperatura de orden hacia el reino del helio líquido.

Una estructura de cromo especial con magnetismo fuerte

El material protagonista de este trabajo es una estructura a base de cromo denominada Cr(tri)2(CF3SO3)0.33, donde grupos triazol enlazan iones de cromo en una red tridimensional con grandes poros. Dentro de cada poro hay unidades triflate desordenadas que compensan la carga eléctrica y colocan al cromo en un estado de valencia mixta, conteniendo tanto Cr2+ como Cr3+. Esa mezcla permite que los electrones salten entre sitios y alineen los espines vecinos mediante un proceso conocido como intercambio doble, dando lugar a un estado ferromagnético que aparece justo por debajo de la temperatura ambiente y produce un cambio notable en la resistencia eléctrica.

Vigilar el movimiento magnético local con sondas nucleares

Para sondear el interior de este imán inusual, los investigadores combinaron mediciones magnéticas a granel con dos herramientas espectroscópicas que detectan pequeños campos locales: resonancia magnética nuclear y resonancia ferromagnética. Los núcleos de hidrógeno en los ligandos triazol y los de flúor en los grupos triflate actúan como sondas integradas de su entorno. Al enfriar la muestra, ambos tipos de núcleos ven cómo sus señales se ensanchan, lo que indica que los campos magnéticos internos crecen en toda la estructura. Al seguir la velocidad con la que la magnetización nuclear vuelve al equilibrio, el equipo identificó varios procesos dependientes de la temperatura que ralentizan o aceleran las fluctuaciones magnéticas locales.

Movimiento de carga oculto y grupos moleculares móviles

Los datos de relajación revelan tres ingredientes principales en la dinámica magnética. A temperaturas más bajas, alrededor de 110 kelvin, la tasa apunta a una ralentización de los saltos electrónicos, consistente con cargas que se vuelven gradualmente más localizadas a medida que el material se vuelve menos conductor. Entre ≈170 y 190 kelvin, los núcleos tanto de hidrógeno como de flúor muestran un pico amplio que coincide con el movimiento esperado de los grupos triflate rotando dentro de los poros. Un comportamiento similar se conoce en polímeros que contienen ese mismo grupo químico, pero aquí la red magnética circundante amplifica el efecto, demostrando cómo el movimiento molecular y el magnetismo pueden entrelazarse dentro de un único material cristalino.

Clústeres magnéticos por encima del punto de orden

Quizá la característica más intrigante aparece a temperaturas más altas, entre unos 230 y 250 kelvin, donde los núcleos de hidrógeno detectan otro proceso activado aunque el cristal a granel aún esté en su estado nominalmente desordenado, paramagnético. El comportamiento crítico de la magnetización, extraído de análisis de escalado, también resulta inusual y sugiere que regiones del material comienzan a comportarse como pequeños clústeres ferromagnéticos antes de que toda la muestra se ordene. Este tipo de estado agrupado, en el que islas de regiones magnéticamente alineadas coexisten con un fondo más desordenado, recuerda al comportamiento observado en óxidos de manganeso y cobalto que exhiben magnetorresistencia colosal, aunque aquí no coincide exactamente con la imagen de libro de texto conocida como fase de Griffiths.

Qué significa esto para futuros materiales magnéticos

En términos simples, este trabajo muestra que un cristal ligero y altamente poroso puede albergar un comportamiento magnético rico y complejo, habitualmente reservado a óxidos inorgánicos densos. La estructura de cromo no solo se vuelve ferromagnética a una temperatura relativamente alta, sino que también forma clústeres magnéticos y soporta movimiento molecular interno que se acopla a sus espines. Estos hallazgos sitúan a las estructuras metal-orgánicas magnéticas como campos de juego prometedores para explorar física de electrones correlacionados en materiales cuya estructura y composición pueden ajustarse con precisión, abriendo vías hacia imanes a medida y dispositivos basados en sólidos de baja densidad y ajustables.

Cita: Prando, G., Costarella, B., Dickson, M.S. et al. Magnetic clusters in the paramagnetic phase of a high-temperature ferromagnetic metal–organic framework. Commun Mater 7, 132 (2026). https://doi.org/10.1038/s43246-026-01142-9

Palabras clave: magnetismo en estructuras metal-orgánicas, clústeres ferromagnéticos, estructura de cromo, resonancia magnética nuclear, análogos de magnetorresistencia colosal