Мономолекулярный магнит: как на одном квадратном миллиметре записать десятки терабит информации

10.11.2021



Современные электронные устройства должны хранить колоссальные объемы данных. Поэтому ученые ищут новые носители, которые смогут буквально на одном квадратном миллиметре записать десятки терабит информации. Очень перспективны для этой цели магнитные материалы на основе отдельных молекул или даже изолированных ионов. О том, как создать мономолекулярный магнит и как он работает рассказал Ян Волошин, профессор, доктор химических наук, заведующий Лабораторией нанобиоматериалов и биоэффекторов ИОНХ РАН и заведующий Лабораторией алифатических борорганических соединений ИНЭОС РАН. Материал подготовлен в рамках специального проекта Российской академии наук и издания InScience.News.

— Ян Зигфридович, расскажите, пожалуйста, поподробнее, что собой представляют мономолекулярные магниты. Правильно ли я понимаю, что это отдельные молекулы, которые способны намагничиваться?

— Привычные для нас металлы, такие как железо или никель, проявляют магнитные свойства благодаря тому, что в их доменных структурах определенным образом взаимодействует большое число электронов — то есть этот эффект исключительно кооперативный. Основное отличие мономолекулярных магнитов состоит в том, что отдельная молекула, содержащая несколько ионов металла или даже один такой ион являются магнитно-активным центром и их магнетизм индивидуален.

— Какие химические, физические или структурные особенности должна иметь молекула, чтобы стать магнитом? Благодаря чему появляется эта способность?

— Прежде всего, такие молекулы, как правило, содержат парамагнитные ионы или ион металла. Они имеют способность намагничиваться под действием внешнего магнитного поля и сохранять магнитные свойства после его выключения. Такой магнетизм достаточно сильно зависит от внешних условий, поэтому, в большинстве случаев, он наблюдается при очень низких температурах, близких к температуре образования жидкого гелия (–269°С). Хотя уже есть примеры мономолекулярных магнитов, в случае которых этот эффект проявляется при более высоких температурах.

— Ранее вы синтезировали новые комплексы кобальта — клатрохелаты в которых его центральный ион металла окружен подходящей органической «шубой». Было экспериментально установлено, что эти комплексы обладают свойствами мономолекулярного магнита. Почему необходимо осуществить дальнейший молекулярный дизайн соединений этого типа для их использования в реальных магнитно-активных системах?

— Проблема заключается в том, что мы получили соединения с подходящими магнитными свойствами, которые обладают также высокой химической устойчивостью. С другой стороны, отсутствие реакционно-способных групп в их молекулах не позволяет использовать их в качестве молекулярных «строительных блоков» для создания более сложных магнитно-активных систем. Кроме того, для того чтобы на основе мономолекулярных магнитов создавать более сложные устройства, соединения должны сохранять намагниченность в приемлемых (с практической точки зрения) условиях, а эти комплексы кобальта обладают магнетизмом только при достаточно низких температурах.

— Расскажите о Вашей новой разработке. Какие преимущества у новой молекулы по сравнению с ранее полученными комплексами этого типа?

— Новая молекула не только проявляет требуемые магнитные свойства, но также является реакционноспособной и потенциально может быть использована для создания сложных магнитно-активных систем. Ее реакционная способность определяется тем, что органический лиганд, который образует подходящую геометрию окружения вокруг магнитно-активного иона кобальта, может претерпевать реакции замещения.

— Как проходил эксперимент: каким образом Вы синтезировали молекулы клатрохелата?

— Клатрохелат кобальта мы получали, используя одностадийную синтетическую процедуру самосборки на подходящем ионе металла (в данном случае – ионе кобальта) как матрице. В результате такой реакции удалось получить достаточно химически-устойчивое и относительно синтетически-доступное (по сравнению с другими описанными в литературе типами мономолекулярных магнитов) соединение.

— Какие есть другие примеры мономолекулярных магнитов?

— Их очень много. В основном это соединения ионов редкоземельных элементов или железа, а также другие комплексы кобальта. Однако, среди последних, полученные нами новых соединений проявили одни из наиболее высоких магнитных характеристик. По моему мнению, следует максимально широко проводить научный поиск мономолекулярных магнитов, ведь только это позволит найти соединения с оптимальными практически-важными характеристиками и свойствами. И это относится не только к области химии. Приведу очень яркий пример: в качестве потенциальных лекарственных препаратов тестируются сотни тысяч химических соединений, до клинических испытаний доходят сотни, а до реального производства и использования в лекарственной терапии социально-значимых заболеваний – одно или два. Но даже эти одно или два соединения оправдывают и окупают всю выполненную учеными колоссальную фундаментальную и прикладную работу и все проведенные медико-биологические исследования.

— Я бы хотела обратиться к теме практического использования мономолекулярных магнитов. В каких устройствах потенциально могут быть использованы такие молекулярные магниты?

— Прежде всего, это молекулярные компьютеры, магнитно-активные системы записи информации, магнитно-управляемые логические ячейки – на самом деле, круг очень широк.

— В чем состоит преимущества использования мономолекулярных магнитов?

— Основное преимущество заключается в том, что, с химической точки зрения, отдельный атом или ион представляют собой минимальные частицы, на которых можно реализовать такое важное свойство как магнетизм. Это дает возможность осуществить значительную миниатюризацию устройств: например, на гораздо меньшей поверхности можно будет записывать значительно большие объемы информации. Поэтому эта область фундаментальной науки, несомненно, перспективна и требует междисциплинарных исследований с участием специалистов в области химии, физики и современного материаловедения.

— Есть ли какие-то недостатки новых соединений, безопасно ли с ними работать? Например, Вы упомянули, что намагниченность сохраняется в случае таких мономолекулярных магнитах только при очень низких температурах.

— Да, мономолекулярные магниты часто требуют использование низких температур, но уже есть примеры, когда такой температурный барьер достаточно высок. Как и в любой системе, у соединений этого типа есть свои достоинства и недостатки. Недостатки: многие из них химически неустойчивы, имеют нестабильные магнитные свойства или сложны в получении. Безусловно, есть ряд научных и технических проблем, но работать в этом направлении надо обязательно, чтобы совершенствовать мономолекулярные магниты и сделать их более доступными для практического использования в реальных магнитно-активных молекулярных системах и устройствах.

Подразделы

Объявления

©РАН 2021