Opnåelse og observation af enkeltmolekylemagneter på silicaoverfladen

Efter den seneste forskning inden for opnåelse af enkeltmolekylemagneter (SMM'er), videnskabsmænd har taget endnu et skridt på vejen mod at opnå supertætte magnetiske hukommelser og molekylære neurale netværk, især konstruktionen af ​​auto-associative minder og multi-kriterium optimeringssystemer, der fungerer som modellen for den menneskelige hjerne. Interessant nok, dette blev opnået ved at bruge metoder, der er tilgængelige i et gennemsnitligt kemisk laboratorium.

Op til 100 millioner bits i en kvadratmillimeter af magnetiske lagerenheder? Neurale netværk lavet af enkelte molekyler? Arbejdet udført af et team ledet af Lukasz Laskowski fra Institut for Molekylær Teknik og Nanoelektronik ved Institut for Nuklear Fysik ved det polske Videnskabsakademi, som fokuserer på adskillelse af individuelle partikler af molekylære magneter, bringer os tættere på at nå disse mål.

Indtil slutningen af ​​1980'erne, en bredt accepteret opfattelse herskede, at ferromagnetiske egenskaber er forbundet med krystalstrukturen og kun kan relateres til passende omfangsrigt krystallinsk stof. Imidlertid, i 1991, et materiale lavet af Mn ₁₂ O ₁₂ (OAc) ₁₆ (H ₂ O) ₄ molekyler, også kendt som Mn ₁₂ -stearat, dukkede op, hvilket var i modstrid med denne almindelige tro. Det viste sig, at under en vis temperatur udviser dette materiale ferromagnetiske egenskaber. Det er værd at understrege, at disse magnetiske egenskaber ikke stammer fra krystalstrukturens egenskaber, som i tilfældet med ferromagnetik, men fra et enkelt molekyles egenskaber. Derfor blev materialer af denne type kaldt single-molecule magnets (SMM'er).

Det er ikke svært at forestille sig anvendelsen af ​​sådanne forbindelser, for eksempel i supertætte hukommelsesenheder eller elementer i neurale netværk. Derfor, Det ser ud til, at enkeltmolekyle-magneter hurtigt vil blive meget udbredt. Imidlertid, dette skete ikke. Dette var sandsynligvis forårsaget af problemer med deres adskillelse og opnåelse af et ordentligt system af individuelle molekyler placeret langt nok væk fra hinanden, som forhindrede dem i at påvirke hinanden. I øvrigt, efter at have fået et sådant system, det var nødvendigt at udvikle en metode til at observere molekyler helt ned til 2 nm.

Så hvordan kan man få mest muligt ud af egenskaberne ved enkeltmolekylemagneter? Hvordan arrangerer man individuelle partikler af sådant materiale på substratet, så de ikke mister deres egenskaber? Hvordan verificerer man fremkomsten af ​​et sådant system? Er det nødvendigt at bruge sofistikerede teknologier til dette formål?

Projektets grundlæggende antagelse var at opnå adskilte enkeltmolekylemagneter på et magnetisk neutralt substrat og at observere sådanne molekyler direkte uden brug af avancerede laboratorieteknikker. Prioriteten var den efterfølgende brug af de udviklede procedurer til kommercielle applikationer. Efter at have valgt materialets egenskaber med hensyn til fysisk-kemiske og mekaniske egenskaber, og molekylær struktur, det var nødvendigt at udvikle en synteseprocedure på en sådan måde, at atomerne forventes at arrangere sig selv, skabe det ønskede nanomateriale. Derefter, forskerne skulle vælge en enkelt-molekyle magnet, et substrat (matrix), typen af ​​forankringsmolekyler på overfladen af ​​substratet, måden at kontrollere deres fordeling på og afstanden mellem dem, og fremgangsmåder til direkte observation af sådanne molekyler.

På stadiet med udvælgelse af mulige typer enkeltmolekylemagneter, Mn ₁₂ -stearatforbindelse blev anerkendt som den mest lovende. Denne partikel har et højt grundtilstandsspin S =10 og, derfor, et stærkt magnetisk øjeblik. På grund af nogle ændringer, den opløselige form af Mn ₁₂ - stearat blev opnået, som desuden viste sig at være mere modstandsdygtig over for atmosfærisk påvirkning.

Når man overvejer typen og formen af ​​det anvendte medium, forskerne tog hensyn til aspektet ved observation af det opnåede materiale. Eksplicit bekræftelse af succesen ville være den direkte observation af Mn ₁₂ -stearatmolekyler på overfladen af ​​matrixen. Imidlertid, dette var vanskeligt på grund af deres lille størrelse på kun ca. 2 nm. Løsningen viste sig at være påføring af sfærisk silica. Enkeltmolekylemagneter blev afsat på sfæriske silicapartikler med en diameter på ca. 300 nm. Med den sfæriske form og relativt lille størrelse af et sådant substrat, de kunne tydeligt observeres ved hjælp af transmissionselektronmikroskopi (TEM). I særdeleshed, holdet fokuserede på at observere selve horisonten (periferien) af en sådan kugle og detektere enkeltmolekylemagneterne forankret til den (fig. 1 og 2).

Overfladen af ​​silicaen valgt som substrat til aflejring af magnetiske molekyler har adskillige hydroxylgrupper, som derefter kan ændres til forankringsenheder. Metoden til forankring af molekylerne afhænger af, at butyl-nitril-grupperne bindes til overfladens hydroxylenheder og derefter omdannes til propylcarboxylgrupper ved hydrolyse. Disse, på tur, let indfange og immobilisere individuelle Mn ₁₂ -stearatmolekyler. Problemet med at kontrollere ankerfordelingen blev overvundet, imidlertid, ved hjælp af afstandsstykker, som giver mulighed for overvågning af fordelingen af ​​forankringsenheder under syntese.

Materialerne blev syntetiseret i laboratoriet ved Institut for Molekylær Teknik og Nanoelektronik ved Institut for Nuklear Fysik ved det polske Videnskabsakademi. Arbejdet med materialerne har været udført siden 2018. De opnåede stoffer blev testet med hensyn til strukturelle egenskaber ved hjælp af TEM-mikroskopi og vibrationsspektroskopi. Magnetiske egenskaber blev bestemt ved anvendelse af SQUID-magnetometri.

De opnåede resultater beviser direkte, at forskergruppen formåede at placere individuelle magnetiske partikler på silicaoverfladen. Proceduren er robust, gentagelig, og ukompliceret, derfor kan den bruges af videnskabelige og industrielle enheder udstyret med gennemsnitligt udstyrede laboratorier. Udover, en meget enkel metode til direkte observation af bittesmå molekyler aflejret på et silicasubstrat blev implementeret - Mn ₁₂ - stearatmolekyler var tydeligt synlige, især nær horisonten af ​​sfærisk silica ved hjælp af TEM-mikroskopi. Ingen har nogensinde anvendt denne procedure før. En lige så vigtig forskningspræstation viste sig at være observationen af, at enkeltmolekylemagneter bevarer deres egenskaber, selv når de er adskilt fra hinanden og indlejret på underlaget. Ud over, det var muligt at bestemme måden at forankre magnetiske molekyler på afhængigt af koncentrationen af ​​forankringsenheder.

De opnåede resultater er meget vigtige og tilskynder til yderligere arbejde med denne type materiale. I øjeblikket, holdet arbejder på at analysere de detaljerede resultater af magnetiske målinger for stofferne beskrevet her som funktion af koncentrationen af ​​Mn ₁₂ -stearatmolekyler. Forskerne undersøger også holdbarheden af ​​de fremstillede nanokompositter. Det næste trin vil være reguleringen af ​​de opnåede systemer. I øjeblikket, afstanden mellem magnetiske molekyler reguleres statistisk, men i sidste ende, Mn ₁₂ -stearat-enkeltmolekyle-magneter skal arrangeres på substratet i en regulær sekskantet konfiguration. Dette vil være muligt ved brug af mesoporøs silica med en ordnet struktur af kanaler i form af en tynd film og præcis flertrins funktionalisering af substratet.