Ученые ТПУ нашли простой способ улучшать свойства органических магнитов
Результаты исследований показывают, что кристаллы, созданные по новой технологии, обладают магнитными свойствами почти на два порядка сильнее по сравнению с исходными материалами. Это открывает возможности для создания магнитных материалов для спинтроники и органической электроники.
Молекулярный магнетизм – активно развивающееся направление на стыке физики и химии с фокусом на создании молекул, обладающих предсказуемыми и настраиваемыми магнитными свойствами. В качестве носителей магнитного момента в них выступают локализованные на молекулах неспаренные электроны. Однако контролировать обменное взаимодействие в них бывает затруднительно из-за малой предсказуемости пространственного расположения молекул в твердой фазе.
Химики Томского политеха в коллаборации с российскими и зарубежными учеными разработали стратегию рационального супрамолекулярного дизайна. Она основана на одновременном применении двух типов слабых невалентных связей – галогенной и водородной. Их кооперативный эффект позволил увеличить межмолекулярные обменные взаимодействия от околонулевых значений до -78 K, что приближенно к лучшим органическим магнитным материалам на основе нитронил нитроксильных радикалов.
«Принцип нашей технологии состоит в использовании линейного акцептора невалентных взаимодействий – 1,4-диазабициклооктана (DABCO), имеющего два симметричных сайта связывания. За счет удачной геометрии молекулы DABCO и спин-меченные молекулы-доноры выстраиваются в линейные ансамбли, организованные галогенной и водородной связями. Такой дизайн способствует сближению неспаренных электронов между супрамолекулярными цепями, что увеличивает силу обменного взаимодействия. Новая технология дает более предсказуемые и настраиваемые результаты по сравнению с подходами, основанными на применении только одного типа связи», — отмечает один из авторов исследования, доцент Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий ТПУ Павел Петунин.
С помощью нового подхода политехники синтезировали три кристаллических материала с разной выраженностью магнитных свойств. Результаты рентгеноструктурного анализа показали образование новых супрамолекулярных ансамблей и изменение магнитных свойств, которые обусловлены перекрыванием ОЗМО-орбиталей (орбиталь с неспаренным электроном – ред.) между связанными в цепи молекулами. Так, в некоторых случаях магнитный обмен в материалах усилился практически на два порядка по сравнению с изолированными радикалами.
«Мы совершили ключевой шаг в нашем цикле работ по супрамолекулярным магнетикам, имеющий значение для всех исследователей в этом направлении. Сейчас мы не просто показали, что, меняя “упаковку”, мы наблюдаем какие-то слабые изменения. Мы показали, что использование невалентных взаимодействий для получения более выраженных магнитных свойств – это жизнеспособная стратегия. Это тот результат, который отличает нашу работу от всех предыдущих по этой теме», — добавляет аспирант, младший научный сотрудник лаборатории «Химическая инженерия и молекулярный дизайн» Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий ТПУ Матвей Шуриков.
В будущем такой подход может лечь в основу создания различных мультифункциональных материалов и устройств: от разработки сенсорных устройств нового поколения до исследования эффекта памяти отдельных молекул для создания устройств с высокой плотностью записи информации.
В исследовании принимали участие ученые Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий Томского политеха, Международного томографического центра СО РАН, Санкт-Петербургского государственного университета, Института химической кинетики и горения им. В. В. Воеводского СО РАН, Института органической химии им. Н. Д. Зелинского РАН, Университет Балеарских островов (Испания) и Миланского технического университета (Италия).
Источник: пресс-служба Томского политехнического университета