We present a data-driven approach to predict entropy changes (ΔS) in small magnetic fields in single-molecule magnets (SMMs) relevant to their application as magnetocaloric refrigerants. We construct a database of SMMs with a representation scheme incorporating aspects related to dimensionality, structure, local coordination environment, ideal total spin of magnetic ions, ligand type, and linking chemistry. We train machine learning models for predicting the entropy change as a function of structure and chemistry and use the models to arrive at ΔS for hypothetical molecules. We also identify key descriptors that affect the entropy change, thus providing insights into designing tailored SMMs with improved magnetocaloric properties.

1.
R.
Sessoli
,
Angew. Chem., Int. Ed. Engl.
51
,
43
(
2012
).
2.
D. N.
Woodruff
,
R. E. P.
Winpenny
, and
R. A.
Layfield
,
Chem. Rev.
113
,
5110
(
2013
).
3.
Y. I.
Spichkin
,
A. K.
Zvezdin
,
S. P.
Gubin
,
A. S.
Mischenko
, and
A. M.
Tishin
,
J. Phys. D: Appl. Phys.
34
,
1162
(
2001
).
4.
M.
Evangelisti
and
E. K.
Brechin
,
Dalton Trans.
39
,
4672
(
2010
).
5.
Y.-Z.
Zheng
,
G.-J.
Zhou
,
Z.
Zheng
, and
R. E. P.
Winpenny
,
Chem. Soc. Rev.
43
,
1462
(
2014
).
6.
A.
Furrer
and
O.
Waldmann
,
Rev. Mod. Phys.
85
,
367
(
2013
).
7.
P.
Zhang
,
L.
Zhang
, and
J.
Tang
,
Dalton Trans.
44
,
3923
(
2015
).
8.
V.
Vieru
and
L. F.
Chibotaru
,
Chem. Eur. J.
22
,
5309
(
2016
).
9.
H. C.
Dam
,
T. L.
Pham
,
T. B.
Ho
,
A. T.
Nguyen
, and
V. C.
Nguyen
,
J. Chem. Phys.
140
,
044101
(
2014
).
10.
S.
Zhang
and
P.
Cheng
,
Chem. Rec.
16
,
2077
(
2016
).
11.
A.
Adhikary
,
J. A.
Sheikh
,
S.
Biswas
, and
S.
Konar
,
Dalton Trans.
43
,
9334
(
2014
).
12.
D. I.
Alexandropoulos
,
L.
Cunha-Silva
,
G.
Lorusso
,
M.
Evangelisti
,
J.
Tang
, and
T. C.
Stamatatos
,
Chem. Commun.
52
,
1693
(
2016
).
13.
A.
Baniodeh
,
N.
Magnani
,
Y.
Lan
,
G.
Buth
,
C. E.
Anson
,
J.
Richter
,
M.
Affronte
,
J.
Schnack
, and
A. K.
Powell
,
npj Quantum Mater.
3
,
10
(
2018
).
14.
T.
Birk
,
K. S.
Pedersen
,
C. A.
Thuesen
,
T.
Weyhermüller
,
M.
Schau-Magnussen
,
S.
Piligkos
,
H.
Weihe
,
S.
Mossin
,
M.
Evangelisti
, and
J.
Bendix
,
Inorg. Chem.
51
,
5435
(
2012
).
15.
R. J.
Blagg
,
F.
Tuna
,
E. J. L.
McInnes
, and
R. E. P.
Winpenny
,
Chem. Commun.
47
,
10587
(
2011
).
16.
L.-X.
Chang
,
G.
Xiong
,
L.
Wang
,
P.
Cheng
, and
B.
Zhao
,
Chem. Commun.
49
,
1055
(
2013
).
17.
S.
Demir
,
I.-R.
Jeon
,
J. R.
Long
, and
T. D.
Harris
,
Coord. Chem. Rev.
289-290
,
149
(
2015
).
18.
M.
Evangelisti
,
O.
Roubeau
,
E.
Palacios
,
A.
Camón
,
T. N.
Hooper
,
E. K.
Brechin
, and
J. J.
Alonso
,
Angew. Chem., Int. Ed. Engl.
50
,
6606
(
2011
).
19.
I. A.
Gass
,
E. K.
Brechin
, and
M.
Evangelisti
,
Polyhedron
52
,
1177
(
2013
).
20.
F.-S.
Guo
,
Y.-C.
Chen
,
L.-L.
Mao
,
W.-Q.
Lin
,
J.-D.
Leng
,
R.
Tarasenko
,
M.
Orendáč
,
J.
Prokleška
,
V.
Sechovský
, and
M.-L.
Tong
,
Chemistry
19
,
14876
(
2013
).
21.
M. M.
Hänninen
,
A. J.
Mota
,
R.
Sillanpää
,
S.
Dey
,
G.
Velmurugan
,
G.
Rajaraman
, and
E.
Colacio
,
Inorg. Chem.
57
,
3683
(
2018
).
22.
T. N.
Hooper
,
R.
Inglis
,
M. A.
Palacios
,
G. S.
Nichol
,
M. B.
Pitak
,
S. J.
Coles
,
G.
Lorusso
,
M.
Evangelisti
, and
E. K.
Brechin
,
Chem. Commun.
50
,
3498
(
2014
).
23.
H.-C.
Hu
,
C.-S.
Cao
,
Y.
Yang
,
P.
Cheng
, and
B.
Zhao
,
J. Mater. Chem. C
3
,
3494
(
2015
).
24.
H.
Li
,
W.
Shi
,
Z.
Niu
,
J.-M.
Zhou
,
G.
Xiong
,
L.-L.
Li
, and
P.
Cheng
,
Dalton Trans.
44
,
468
(
2015
).
25.
M.
Manoli
,
A.
Collins
,
S.
Parsons
,
A.
Candini
,
M.
Evangelisti
, and
E. K.
Brechin
,
J. Am. Chem. Soc.
130
,
11129
(
2008
).
26.
T. D.
Pasatoiu
,
A.
Ghirri
,
A. M.
Madalan
,
M.
Affronte
, and
M.
Andruh
,
Dalton Trans.
43
,
9136
(
2014
).
27.
K. S.
Pedersen
,
G.
Lorusso
,
J. J.
Morales
,
T.
Weyhermüller
,
S.
Piligkos
,
S. K.
Singh
,
D.
Larsen
,
M.
Schau-Magnussen
,
G.
Rajaraman
,
M.
Evangelisti
, and
J.
Bendix
,
Angew. Chem., Int. Ed. Engl.
53
,
2394
(
2014
).
28.
J.-B.
Peng
,
Q.-C.
Zhang
,
X.-J.
Kong
,
Y.-Z.
Zheng
,
Y.-P.
Ren
,
L.-S.
Long
,
R.-B.
Huang
,
L.-S.
Zheng
, and
Z.
Zheng
,
J. Am. Chem. Soc.
134
,
3314
(
2012
).
29.
E. M.
Pineda
,
F.
Tuna
,
Y.-Z.
Zheng
,
S. J.
Teat
,
R. E. P.
Winpenny
,
J.
Schnack
, and
E. J. L.
McInnes
,
Inorg. Chem.
53
,
3032
(
2014
).
30.
E. M.
Pineda
,
F.
Tuna
,
Y.-Z.
Zheng
,
R. E. P.
Winpenny
, and
E. J. L.
McInnes
,
Inorg. Chem.
52
,
13702
(
2013
).
31.
P.
Richardson
,
D. I.
Alexandropoulos
,
L.
Cunha-Silva
,
G.
Lorusso
,
M.
Evangelisti
,
J.
Tang
, and
T. C.
Stamatatos
,
Inorg. Chem. Front.
2
,
945
(
2015
).
32.
R.
Shaw
,
R. H.
Laye
,
L. F.
Jones
,
D. M.
Low
,
C.
Talbot-Eeckelaers
,
Q.
Wei
,
C. J.
Milios
,
S.
Teat
,
M.
Helliwell
,
J.
Raftery
,
M.
Evangelisti
,
M.
Affronte
,
D.
Collison
,
E. K.
Brechin
, and
E. J. L.
McInnes
,
Inorg. Chem.
46
,
4968
(
2007
).
33.
P.
Wang
,
S.
Shannigrahi
,
N. L.
Yakovlev
, and
T. S. A.
Hor
,
Inorg. Chem.
51
,
12059
(
2012
).
34.
P.
Wang
,
S.
Shannigrahi
,
N. L.
Yakovlev
, and
T. S. A.
Hor
,
Chem.-Asian J.
8
,
2943
(
2013
).
35.
L.-Y.
Xu
,
J.-P.
Zhao
,
T.
Liu
, and
F.-C.
Liu
,
Inorg. Chem.
54
,
5249
(
2015
).
36.
Y.-C.
Chen
,
L.
Qin
,
Z.-S.
Meng
,
D.-F.
Yang
,
C.
Wu
,
Z.
Fu
,
Y.-Z.
Zheng
,
J.-L.
Liu
,
R.
Tarasenko
,
M.
Orendáč
,
J.
Prokleška
,
V.
Sechovský
, and
M.-L.
Tong
,
J. Mater. Chem. A
2
,
9851
(
2014
).
37.
J.-P.
Zhao
,
R.
Zhao
,
Q.
Yang
,
B.-W.
Hu
,
F.-C.
Liu
, and
X.-H.
Bu
,
Dalton Trans.
42
,
14509
(
2013
).
38.
X.-Y.
Zheng
,
J.-B.
Peng
,
X.-J.
Kong
,
L.-S.
Long
, and
L.-S.
Zheng
,
Inorg. Chem. Front.
3
,
320
(
2016
).
39.
Y.-Z.
Zheng
,
M.
Evangelisti
,
F.
Tuna
, and
R. E. P.
Winpenny
,
J. Am. Chem. Soc.
134
,
1057
(
2012
).
40.
Y.-Z.
Zheng
,
M.
Evangelisti
, and
R. E. P.
Winpenny
,
Chem. Sci.
2
,
99
(
2011
).
41.
Y.-Z.
Zheng
,
M.
Evangelisti
, and
R. E. P.
Winpenny
,
Angew. Chem., Int. Ed. Engl.
50
,
3692
(
2011
).
42.
Y.-Z.
Zheng
,
E. M.
Pineda
,
M.
Helliwell
, and
R. E. P.
Winpenny
,
Chemistry
18
,
4161
(
2012
).
43.
Y.
Zheng
,
Q.-C.
Zhang
,
L.-S.
Long
,
R.-B.
Huang
,
A.
Müller
,
J.
Schnack
,
L.-S.
Zheng
, and
Z.
Zheng
,
Chem. Commun.
49
,
36
(
2013
).
44.
J. W.
Sharples
and
D.
Collison
,
Polyhedron
54
,
91
(
2013
).
45.
Y.-S.
Meng
,
S.-D.
Jiang
,
B.-W.
Wang
, and
S.
Gao
,
Acc. Chem. Res.
49
,
2381
(
2016
).
46.
T.
Gupta
,
M. F.
Beg
, and
G.
Rajaraman
,
Inorg. Chem.
55
,
11201
(
2016
).
47.
J. T.
Waber
and
D. T.
Cromer
,
J. Chem. Phys.
42
,
4116
(
1965
).
48.
K.
Li
and
D.
Xue
,
J. Phys. Chem. A
110
,
11332
(
2006
).
49.
L.
Sorace
,
C.
Benelli
, and
D.
Gatteschi
,
Chem. Soc. Rev.
40
,
3092
(
2011
).
50.
L.
Pauling
,
J. Am. Chem. Soc.
54
,
3570
(
1932
).
51.
L.
Holleis
,
B.
Shivaram
, and
P. V.
Balachandran
, see https://figshare.com/s/e85e629be17e600e42d0 for the dataset used in this work.
52.
T.
Hastie
,
R.
Tibshirani
, and
J.
Friedman
,
The Elements of Statistical Learning
, Springer Series in Statistics (
Springer New York Inc.
,
New York, NY, USA
,
2001
).
53.
R.
Tibshirani
,
J. R. Stat. Soc.: Ser. B
58
,
267
(
1996
).
54.
A. J.
Smola
and
B.
Schölkopf
,
Stat. Comput.
14
,
199
(
2004
).
55.
P. V.
Balachandran
,
D.
Xue
, and
T.
Lookman
,
Phys. Rev. B
93
,
144111
(
2016
).
56.
P. V.
Balachandran
,
T.
Shearman
,
J.
Theiler
, and
T.
Lookman
,
Acta Crystallogr., Sect. B
73
,
962
(
2017
).
57.
B.
Efron
,
Ann. Stat.
7
,
1
(
1979
).
58.
D. P.
MacKinnon
,
C. M.
Lockwood
, and
J.
Williams
,
Multivar. Behav. Res.
39
,
99
(
2004
).
59.
R Core Team
,
R: A Language and Environment for Statistical Computing
(
R Foundation for Statistical Computing
,
Vienna, Austria
,
2012
).
60.
J.
Friedman
,
T.
Hastie
, and
R.
Tibshirani
,
J. Stat. Software
33
,
1
(
2010
).
61.
D.
Meyer
,
E.
Dimitriadou
,
K.
Hornik
,
A.
Weingessel
, and
F.
Leisch
, e1071: Misc Functions of the Department of Statistics, Probability Theory Group (Formerly: E1071), TU Wien (R package version 1.6-7,
2015
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.