Forskere opdager nyt værktøj til at konstruere nye metalbaserede magnetiske materialer

Et canadisk-finsk samarbejde har ført til opdagelsen af ​​en ny magnetisk forbindelse, hvor to magnetiske dysprosiummetalioner er brokoblet af to aromatiske organiske radikaler, der danner en pandekagebinding. Resultaterne af denne undersøgelse kan bruges til at forbedre de magnetiske egenskaber af lignende forbindelser. Den teoretiske undersøgelse af undersøgelsen blev udført af Akademiforsker Jani O. Moilanen ved Universitetet i Jyväskylä, hvorimod det eksperimentelle arbejde blev udført ved University of Ottawa i grupperne af Profs. Muralee Murugesu og Jaclyn L. Brusso. Forskningsresultaterne blev publiceret i det anerkendte kemitidsskrift— Uorganisk kemi grænser i juli 2020 — med forsiden.

Magneter bruges i mange moderne elektroniske enheder lige fra mobiltelefoner og computere til medicinsk billedbehandlingsudstyr. Udover de traditionelle metalbaserede magneter, en af ​​de aktuelle forskningsinteresser inden for magnetisme har været studiet af enkeltmolekylemagneter bestående af metalioner og organiske ligander. De magnetiske egenskaber af enkelt-molekyle magneter er rent molekylært af oprindelse, og det er blevet foreslået, at i fremtiden, enkelt-molekyle magneter kunne bruges i højdensitetsinformationslagring, spin-baseret elektronik (spintronics), og kvantecomputere.

Desværre, de fleste af de i øjeblikket kendte enkeltmolekylemagneter udviser kun deres magnetiske egenskaber ved lave temperaturer nær det absolutte nulpunkt (? 273°c), som forhindrer deres anvendelse i elektroniske enheder. Den første enkelt-molekyle magnet, der bibeholdt sin magnetisering over kogepunktet for flydende nitrogen (? 196 °C), blev rapporteret i 2018. Denne undersøgelse var et betydeligt gennembrud inden for magnetiske materialer, da det demonstrerede, at enkelt-molekyle magneter fungerer ved højere temperaturer kan også realiseres.

Fremragende magnetiske egenskaber af den rapporterede forbindelse ved de forhøjede temperaturer stammer fra den optimale tredimensionelle struktur af forbindelsen. I teorien, lignende designprincipper kunne bruges til enkeltmolekylemagneter, der indeholder mere end én metalion, men det er meget mere udfordrende at kontrollere den tredimensionelle struktur af multinukleare forbindelser.

Brodannende organiske radikaler blev anvendt i den nye forbindelse

I stedet for fuldt ud at kontrollere den tredimensionelle struktur af den rapporterede forbindelse, en anden designstrategi blev brugt i denne undersøgelse.

"Som dysprosiumioner, organiske radikaler har også uparrede elektroner, der kan interagere med uparrede elektroner af metalioner. Dermed, organiske radikaler kan bruges til at kontrollere de magnetiske egenskaber af et system sammen med metalioner. Særligt interessante organiske radikaler er brodannende, da de kan interagere med flere metalioner. Vi brugte denne designstrategi i vores undersøgelse, og overraskende nok vi syntetiserede en forbindelse, hvor ikke kun én, men to organiske radikaler slog bro mellem to dysprosiumioner og dannede en pandekagebinding gennem deres uparrede elektroner, " Prof. Muralee Murugesu fra University of Ottawa præciserer.

"Selvom dannelsen af ​​pandekagebindingen mellem to radikaler er velkendt, det var første gang, at pandekagebindingen blev observeret mellem to metalioner. Interaktionen mellem organiske radikaler omtales ofte som pandekagebinding, fordi den tredimensionelle struktur af interagerende organiske radikaler ligner en stak pandekager, Prof. Jaclyn L. Brusso fra University of Ottawa fortæller.

Pandekagebindingen i den nye forbindelse var meget stærk. Derfor, de uparrede elektroner i de organiske radikaler interagerede ikke stærkt med de uparrede elektroner i dysprosium-ionerne, og forbindelsen fungerede kun som en enkeltmolekylemagnet ved lave temperaturer. Imidlertid, undersøgelsen baner vejen for den nye designstrategi for nye multinukleære enkeltmolekylemagneter og har igangsat yderligere forskning.

"Beregningskemiske metoder gav vigtig indsigt i forbindelsens elektroniske struktur og magnetiske egenskaber, som kan bruges i fremtidige undersøgelser. Ved at vælge den rigtige slags organiske radikaler kan vi ikke kun kontrollere arten af ​​pandekagebindingen mellem radikalerne, men også forbedre de magnetiske egenskaber af forbindelsen generelt, ", kommenterer Akademiforsker Jani O. Moilanen fra Jyväskylä Universitet.