Магниты на основе молекул - Molecule-based magnets
Магниты на основе молекул - это класс материалов, способных проявлять ферромагнетизм и другие более сложные магнитные явления. Этот класс расширяет свойства материалов, обычно связанных с магнитами, включая низкую плотность, прозрачность, электрическую изоляцию и изготовление при низких температурах, а также объединяет магнитное упорядочение с другими свойствами, такими как светочувствительность. По сути, все общие магнитные явления, связанные с обычными магнитами на основе переходных металлов и редкоземельных элементов, можно найти в магнитах на основе молекул.
История
Первый синтез и определение характеристик магнитов на основе молекул были выполнены Викманом и его сотрудниками в 1967 году. Это было соединение хлорида диэтилдитиокарбамат-Fe (III).
Теория
Механизм, с помощью которого молекулярные магниты стабилизируют и отображают чистый магнитный момент, отличается от того, который присутствует в традиционных магнитах на основе металла и керамики. В металлических магнитах неспаренные электроны выравниваются посредством квантово-механических эффектов (называемых обменом) в силу способа, которым электроны заполняют орбитали проводящей зоны . Для большинства керамических магнитов на основе оксидов неспаренные электроны на металлических центрах выравниваются через промежуточный диамагнитный мостиковый оксид (так называемый сверхобмен ). Магнитный момент в магнитах на основе молекул обычно стабилизируется одним или несколькими из трех основных механизмов:
- Через пространство или диполярную связь
- Обмен между ортогональными (неперекрывающимися) орбиталями в одной и той же пространственной области
- Чистый момент через антиферромагнитное взаимодействие неодинаковых спиновых центров ( ферримагнетизм )
Как правило, магниты на основе молекул имеют низкую размерность. Классические магнитные сплавы на основе железа и других ферромагнитных материалов имеют металлическую связь , при которой все атомы по существу связаны со всеми ближайшими соседями в кристаллической решетке. Таким образом, критические температуры, при которых эти классические магниты переходят в упорядоченное магнитное состояние, имеют тенденцию быть высокими, поскольку взаимодействие между спиновыми центрами является сильным. Магниты на основе молекул, однако, имеют несущие элементы вращения на молекулярных объектах, часто с сильно направленной связью. В некоторых случаях химическая связь ограничивается одним измерением (цепями). Таким образом, взаимодействия между спиновыми центрами также ограничены одномерными, а температуры упорядочения намного ниже, чем в магнитах типа металл / сплав. Кроме того, большие части магнитного материала по существу диамагнитны и не влияют на чистый магнитный момент.
Эти аспекты молекулярных магнитов представляют собой серьезные проблемы на пути к достижению конечной цели создания молекулярных магнитов при "комнатной температуре". Однако низкоразмерные материалы могут предоставить ценные экспериментальные данные для проверки физических моделей магнетизма (которые часто имеют низкую размерность для упрощения расчетов).
Приложения
Магниты на основе молекул в настоящее время остаются лабораторной диковинкой и не имеют реального применения, в основном из-за очень низкой критической температуры, при которой эти материалы становятся магнитными. Это связано с величиной магнитной связи, которая в этих материалах очень слабая. В этом отношении они похожи на сверхпроводники , для использования которых требуется охлаждение. Недавно магниты на основе оксодимерного Fe (салена) («противораковые наномагнетики») в водной суспензии продемонстрировали собственное ферромагнитное поведение при комнатной температуре, а также противоопухолевую активность, с возможным медицинским применением в химиотерапии , доставке магнитных лекарств , магнитно-резонансной томографии (МРТ). ), и терапия локальной гипертермией, индуцированной магнитным полем .
Задний план
Магниты на основе молекул представляют собой класс материалов, которые отличаются от обычных магнитов одним из нескольких способов. Большинство традиционных магнитных материалов состоят исключительно из металлов (Fe, Co, Ni) или оксидов металлов (CrO 2 ), в которых спины неспаренных электронов, которые вносят вклад в суммарный магнитный момент, находятся только на атомах металла на орбиталях d- или f-типа.
В магнитах на основе молекул структурные строительные блоки имеют молекулярную природу. Эти строительные блоки представляют собой либо чисто органические молекулы , либо координационные соединения, либо их комбинацию. В этом случае неспаренные электроны могут находиться на d- или f-орбиталях изолированных атомов металла, но также могут находиться на сильно локализованных s- и p-орбиталях, а также на чисто органических соединениях. Как и обычные магниты, их можно разделить на твердые или мягкие, в зависимости от величины коэрцитивного поля .
Другой отличительной особенностью является то, что магниты на основе молекул получают с помощью низкотемпературных методов на основе растворов, в отличие от высокотемпературной металлургической обработки или гальваники (в случае тонких магнитных пленок ). Это позволяет химически адаптировать молекулярные строительные блоки для настройки магнитных свойств.
Конкретные материалы включают чисто органические магниты, изготовленные из органических радикалов, например п-нитрофенилнитронилнитроксидов, тетрацианоэтенид декаметилферроцения, смешанные координационные соединения с мостиковыми органическими радикалами, соединения, родственные берлинской синей , и комплексы с переносом заряда .
Магниты на основе молекул получают свой суммарный момент из кооперативного эффекта молекулярных объектов, несущих спин, и могут демонстрировать объемное ферромагнитное и ферримагнитное поведение при истинной критической температуре . В этом отношении они контрастируют с одномолекулярными магнитами , которые по сути являются суперпарамагнетиками (отображающими температуру блокировки по сравнению с истинной критической температурой). Эта критическая температура представляет собой точку, в которой материалы переключаются с простого парамагнетика на объемный магнит, и может быть обнаружена путем измерения восприимчивости к переменному току и измерения удельной теплоемкости .