Forskere skaber en magnet lavet af ét molekyle

Nogle gange kræver det at lave en helt ny type boks, at man tænker uden for boksen, hvilket er præcis, hvad spartanske kemikere brugte til at skabe en magnetisk terning med otte atomer.

Den lille boks er kernen i et nyt magnetisk molekyle, der kan drive fremtidige teknologier til datalagring, kvanteberegning og mere.

"I begyndelsen virkede vores tilgang som en virkelig vild idé," sagde Selvan Demir, en assisterende professor i kemi ved College of Natural Science. "Men det viser sig, at det virker."

Demir og hendes team offentliggjorde deres arbejde i tidsskriftet Chem , som indeholdt forskningen på forsiden af ​​dens 10. marts-udgave.

En del af det, der gjorde forskernes idé så vild, var deres valg om at arbejde med startingredienser, der er notorisk kræsne i kemimiljøet.

En ingrediens er en gruppe af grundstoffer kaldet lanthanider, som optager en speciel række mod bunden af ​​det periodiske system af grundstoffer. Den anden er det metalliske grundstof bismuth, som typisk ikke får for meget opmærksomhed (selvom nogle måske genkender det fra dets rolle i lyserøde antacida såsom Pepto Bismol).

"Hvis du ville have spurgt mig, da jeg startede på MSU, "Vil du lave vismutkemi?" Jeg ville nok have sagt, "Nej. Hvorfor skulle jeg gøre det?'" sagde Demir. "Bismuthkemi betragtes generelt som kedelig. Men det viser sig, at vismut kombineres med andre elementer på overraskende rige måder."

Ved at finde en måde at kombinere vismut med et lanthanid-element - især terbium eller dysprosium - skabte de et molekyle med permanente magnetiske træk. Det er den samme magnetisme, som findes i stangmagneter og harddiske, men i meget mindre skala.

Den lille skala af molekylære magneter giver teknologiske muligheder, såsom at forbedre lagerkapaciteten af ​​magnetiske harddiske. Der er også nye applikationer, hvor konventionelle magneter simpelthen kan være for store til at bidrage, såsom i processorer til kvantecomputere.

Den første enkelt-molekyle magnet blev opdaget for omkring 30 år siden, og siden da har forskere ledt efter nye sorter med forskellige fysiske og kemiske egenskaber. De har også arbejdet på at udvikle mere kreative kemiske tilgange til at fremstille magneterne. Her skiller Demir-gruppens arbejde sig ud.

Ze-Yu Ruan og Ming-Liang Tong, kemikere ved Sun Yat-Sen University i Kina, som ikke var involveret i forskningen, beskrev projektet som "hidtil uset" og "imponerende" i en preview-artikel til tidsskriftet Chem .

"Dette var nok det sværeste, jeg har lavet med mit hold," sagde Demir.

"Resultatet var først uventet, men efter at have opdaget det, optimerede vi syntesen for at målrette forbindelsen til analyse. Vi var sandsynligvis nødt til at køre 100 reaktioner for at finde de bedste betingelser for at lave det."

Selve molekylet ser dog simpelt ud, idet det modsiger kompleksiteten af ​​den proces, der kræves for at lave det. Top og bund af molekylet er dækket af ringe af kulstof- og brintatomer. Hver ring er knyttet til et lanthanid, der danner en terning med vismutatomerne.

"Lanthanidmetallerne sidder på en måde på en trone, der ligner 'stolen'-strukturen af ​​cyclohexan, et særligt strukturelt motiv, der er kendt i organisk kemi," sagde Demir. "Det er meget stabilt."

Den stabilitet er nyttig her, fordi naturen normalt ikke kan lide at lave terninger.

På trods af processens kompleksitet, følsomheden af ​​de involverede ingredienser og udfordringerne ved dens strukturelle og fysiske karakterisering, lykkedes det de spartanske videnskabsmænd at opdage en helt ny type enkeltmolekylemagnet.

"Vi er de første i hele verden til at lave dette. Jeg synes, det er fedt," sagde Demir. "Det er ikke hver dag, man finder en ny vej til noget. Men det er udfordringen ved at arbejde i denne form for ukendte, højrisikoområder, der får os til at vende tilbage til laboratoriet hver dag." + Udforsk yderligere

Brug af lanthanid-lanthanid-bindinger til at skabe mere kraftfulde permanente magneter