Молекуларни магнети

Магнетизмот е една од четирите основни сили во природата (електромагнетна, гравитациска, слаба нуклеарна и јака нуклеарна сила). Некогаш се мислеше дека овие феномени се независни еден од друг, но низ историјата научниците дошле до заклучок дека овие сили се меѓусебно поврзани.

Појавата на магнетно поле е резултат на два типа на движење на електрони во атомот. Првиот е движењето на електронот околу јадрото на атомот (како планета околу сонцето), а вториот е ротацијата на електронот околу неговата оска, или „спинот“ на електронот (како ротација на земјата околу нејзината оска).

Во повеќето атоми од периодниот систем на елементите, магнетниот момент на електронот е поништен поради принципот на исклучување на Паули, кој ни кажува дека два електрони не можат да заземаат иста квантна состојба во исто време, односно мора да имаат спротивен спин. Но, постојат исклучоци во случај на некои преодни метали, како што се железото, кобалтот и никелот, кои поседуваат магнетен момент кој не се поништува, поради што тие се најчестите примери на магнети. Кај овие преодни метали, магнетниот момент произлегува само од спинот на електронот.

Електронот делува како многу мал магнет. Велиме „магнетен момент“ наместо „магнетно поле“ затоа што полето е локално својство (со оддалечување од електронот, полето станува послабо), додека магнетниот момент е својство на електронот кој можете да го примените на која било точка на полето и од која можете да ја пресметате енергијата потребна за порамнување на електронот со надворешно применето магнетно поле, или вртежниот момент што го „доживува“ честичка чиј спин не е совршено порамнет со полето.

„Ретки земји“

Во групата на ретки земји, односно во серијата лантаниди, не е исклучен придонесот на орбиталниот магнетен момент, па затоа ефектот и на орбиталните и на спин магнетните моменти придонесуваат за магнетниот момент. Тоа се елементи како што се неодимиум, цериум, самариум и европиум.
Во раните 1990-ти, голема возбуда го следеше откритието дека координативно соединение на молекуларен преоден метал може, при температури на течен хелиум, да ја задржи магнетизацијата долги временски периоди во отсуство на надворешно магнетно поле. Познатиот додекаметален кафез од манган-ацетат [Mn₁₂O₁₂(OAc)₁₆(H₂O)₄] (Mn₁₂Ac) стана родоначалник на големо семејство на магнетни материјали познати како едномолекулни магнети (SMM).

И покрај огромниот внатрешен интерес за SMM, исто така беше увидено дека тие во принцип може да се развијат за нови технолошки апликации. SMM може да се сметаат како молекуларни аналози на класичните феромагнети; оттука, можно е да се развијат за апликации кои вклучуваат складирање и обработка на дигитални информации.
Уникатните хемиски својства на борот и неговите реакции со метали ја дадоа големата класа на метални бориди со композиции кои се движат од најбогатиот со бор YB₆₆ (кој се користи како монохроматор за синхротрон зрачење) до најбогатиот со метал Nd₂Fe₁₄B (најдобриот перманентен магнет досега). Одличните магнетни својства на последното соединение потекнуваат од неговата единствена кристална структура за која е суштинско присуството на борот. Општо земено, познавањето на кристалната структура на кое било дадено цврсто тело е предуслов за разбирање на неговите физички својства и евентуално предвидување на нови синтетички цели со посакувани својства. Способноста на борот да формира силни хемиски врски со себе и со металите овозможи да се изградат нови структури со возбудливи својства. Во последниве години, откриени се нови борни структури кои содржат разни борни фрагменти (тригонални рамни B4 единици, рамни B6 прстени) и нискодимензионални подструктури на магнетно активни елементи (скали, скелиња, синџири од триаголници) а новите структури на боридите доведоа до нови суперспроводливи материјали со постепено замена на Ru за Rh, резултат што беше дури и надминат (до 54 пати поголема од почетната вредност) за Ru/ Ir замени.

Фасцинантно, борните кластери (на пр., прстените B₆) дури и директно комуницираат со магнетните подединици, интеракција за која беше откриено дека ги фаворизира интеракциите на магнетната размена Fe-Fe во феромагнетниот Nb₆Fe₁-x Ir₆ + _xB₈. Понатаму, откриени се нови структури, од кои сите се проучуваат експериментално и пресметковно со цел да се најдат нови суперпроводници, магнети и механички тврди материјали.

Меѓутоа, за разлика од магнетните материјали кои моментално се користат за оваа намена, како што се магнетите од неодимиум-железо борид, молекуларната природа на SMM нуди уникатни атрибути што може да овозможат информациите да се складираат со многу поголема густина и да се обработуваат со невидена брзина. Предвидени се и целосно нови примени на SMM, вклучително и во развојот на молекуларната спинтроника.Сепак, на крајот, технологијата базирана на SMM може да се реализира само кога ќе се решат два главни проблеми.

• Прво, уникатните својства на SMM во моментов се достапни само со ладење со течен хелиум; затоа, или работните температури треба значително да се зголемат, или треба да се откријат толку нови и важни апликации што температурата престанува да биде проблем.
• Второ, депонирањето и адресирањето на поединечни молекули на SMM на површини се истражени само со многу малку примери. Затоа, еден од големите предизвици на ова поле е сè уште да се дизајнираат и синтетизираат ефикасни SMM кои функционираат на температури кои најверојатно ќе бидат од практична употреба, или кои пројавуваат физички својства што се далеку поразлични од оние на класични магнети.

Како што забележуваат истражувачите, големите орбитали кои овозможуваат преклопување се суштински потребни за да се создаде поврзување метал со метал.
Истражувачите открија комплекси на ди-лантанид кои на голем начин го надминуваат тој проблем.

Тие успеале да синтетизираат класа на двовалентни лантанидни јони кои биле симетрично компатибилни со 5d орбиталите. Користејќи ги, дошле во можност да воспостават врски диспрозиум-диспрозиум, тербиум-тербиум и гадолиниум-гадолиниум. Првите две покажале силен потенцијал за создавање силни магнети. Користејќи ги врските во двете од нив, истражувачите создале комплекси со двојни метални центри кои делат d електрон. Во двата случаи, три атоми на јод биле распоредени во триаголници околу металните центри. Металните атоми се држеле заедно со врска која поминувала низ центарот на триаголната структура со неспарен електрон во средината. Истражувачите сугерираат дека покрај нејзиниот екстремен магнетизам, врската претставувала прва од ваков вид помеѓу два материјали од таканаречените ретки земји.

Новооткриените врски имаат јачина на поврзување од приближно 14 Тесла на температури високи до 60 K - нов рекорд за материјал заснован на молекули. Претходниот рекорд бил 7,9 Тесла. Новооткриените врски би можеле да се искористат за создавање на нова класа на суперсилни постојани магнети. Истражувачите, исто така, откриле дека целокупната јачина на полето на материјалите што ги создале е премногу силна за прецизно да се измери со нивната опрема; така штовсушност се работи за пресметки и проценки. Тие сугерираат дека магнетите направени со помош на нивните техники би можеле да се користат и за мали апликации за складирање медиуми и за големи технички апликации кои бараат нови типови на цврсти материјали.

Мегамагнети направени од лантаниди

Лантанидите се спариле за да ја формираат најмагнетната молекула некогаш направена. Големите ароматични лиганди го зафаќаат јонскиот пар, или тербиум или диспрозиум, со три јодидни анјони кои стојат меѓу нив. Лантанидите делат еден електрон во сврзувачката орбитала. Ова ги усогласува неспарените електрони на двата јони, што им дава на соединенијата нивниот масивен магнетизам при ниски температури.Неспарените електрони во јоните на диспрозиум на овој комплекс го прават високомагнетен (цијан = диспрозиум, виолетова = јод, сива = јаглерод)

Со спојување на пар јони на лантанид во рамките на истото соединение, истражувачите ги создадоа она што тие веруваат дека се најмагнетните молекули некогаш направени.

Лантанидите, како што се неодимиумот и самариумот, се партнери со преодните метали во најсилните магнети од ретките земји, кои се користат во некои мотори на електрични возила и турбини на ветер. Во магнетите од ретки земји, врските метал-метал помагаат да се усогласат неспарените електрони во лантанидите и нивните партнери од преодниот метал, зголемувајќи го целокупниот магнетизам. Спојувањето на два лантаниди на овој начин треба да доведе до уште поголем магнетизам, но се покажа дека е тешко да се создадат врски меѓу нив.

Новите комплекси ја надминуваат таа пречка. Тие содржат пар јони на лантанид - тербиум или диспрозиум, на пример - премостени со три јодидни анјони и покриени со обемни ароматични лиганди. Еден споделен електрон се наоѓа во сврзувачка орбитала помеѓу двата јона, и тоа помага да се порамнат сите неспарени електрони на двата јони. Иако лантанидите претходно се врзувале заедно во фулерените, ова се првите конвенционални молекуларни врски лантанид-лантанид.

Термички елипсовиден приказ на структурата на 100 K. За подобра прегледност, прикажани се само атомите на водород врзани за борот. Зелена = Dy, портокалова = P, црна = C, жолта = B.

Истражувачите користеле неколку методи за да ги проценат магнетните својства на молекулите. Еден тест вклучува користење на надворешно магнетно поле за да се сврти магнетната ориентација на молекулата. Колку е посилен магнетизмот на молекулата, толку е поголемо полето што е потребно за да се сврти магнетната ориентација.

Кога комплексите на тербиум и диспрозиум биле изладени под 50 K и 60 K, соодветно, ова таканаречено принудно магнетно поле било апсолутно огромно - далеку поголемо отколку за која било друга молекула или комерцијален постојан магнет. Двата комплекса лесно го издржале големото поле од 14 Т на конвенционалниот магнетометар. Понатамошните експерименти на комплексот на тербиум сугерираат дека неговата присилност достигнува 25 T.

Неозначените атоми покрај оние на тербиум(жолта) се оние на јаглерод (сива) и флуор (зелена).

За споредба, претходниот рекорд за магнет со една молекула бил 7,9 T на 10 K. Комплексот диспрозиум, исто така, останал силно магнетен на релативно благи 80 K, што одговара на највисоките регистрирани работни температури за магнет со една молекула и потопла од 77 K на течен азот.

Се сугерира дека идните комплекси на лантанид може да се користат во магнетни уреди со нано размери или да се склопат во поголеми магнети а всушност има простор за правење макро-магнетен материјал од ваков вид насупстанци.

Новите соединенија би можеле да помогнат во развојот на магнетни молекули за апликации за складирање податоци, во кои комплексите може да се префрлаат помеѓу две стабилни магнетни состојби кои ги претставуваат единиците и нулите на бинарната логика.

ЅММ со тетразински мостовиотвораат нова можности за информатичката технологија

За да произведат подобар молекуларен магнет, истражувачите го комбинирале новиот тетразински лиганд со ретки земјени метали - елементите диспрозиум и гадолиниум - и додале силен редукциски агенс во растворот за да формираат радикални тетразински мостови. Новиот магнет се кристализирал во форма на темноцрвени снегулки во облик на призма.

Тимот ја опишува молекуларната единица во овој кристал како тетрануклеарен комплекс во кој четири метални јони стабилизирани со лиганд се премостуваат заедно со четири тетразински радикали. Најзначајното својство на оваа нова молекула е неговата извонредна магнетна цврстина или принудно поле. Ова значи дека комплексите формирале издржлив магнет со една молекула кој бил особено отпорен на демагнетизација.Ова принудно поле се постигнува со силно спојување преку радикалната тетразинска единица. Четирите метални центри на молекулата се споени заедно за да дадат една молекуларна единица со џиновски спин.

Покрај за хард дискови,може да се употребат за звучници, микрофони,забни протези,магнетски споени пумпи,мотори и генератори,уреди за МР, Reed прекинувачи,АВЅ системи,кочници, магнетски оски, за подигање на терет,магнетни сепаратори,магнетски суспензии,стартери на мотори, за изработка на накит...