Onderzoekers ontdekken een nieuwe tool om nieuwe magnetische materialen op metaalbasis te bouwen

Artistieke presentatie van de gesynthetiseerde verbindingen die een pannenkoekbinding tussen organische radicalen illustreert. Krediet: overgenomen van Anorganic Chemistry Frontiers., 2020, 7, 2592-2601 met toestemming van The Royal Society of Chemistry.

Een Canadees-Finse samenwerking heeft geleid tot de ontdekking van een nieuwe magnetische verbinding waarin twee magnetische dysprosiummetaalionen worden overbrugd door twee aromatische organische radicalen die een pannenkoekbinding vormen. De resultaten van deze studie kunnen worden gebruikt om de magnetische eigenschappen van vergelijkbare verbindingen te verbeteren. Het theoretische onderzoek van de studie werd uitgevoerd door de Academy Research Fellow Jani O. Moilanen aan de Universiteit van Jyväskylä, terwijl het experimentele werk werd uitgevoerd aan de Universiteit van Ottawa in de groepen van Profs. Muralee Murugesu en Jaclyn L. Brusso. De onderzoeksresultaten zijn gepubliceerd in het gerenommeerde scheikundetijdschrift-Anorganic Chemistry Frontiers in juli 2020 – met de hoesafbeelding.

Magneten worden gebruikt in veel moderne elektronische apparaten, variërend van mobiele telefoons en computers tot medische beeldapparatuur. Naast de traditionele op metaal gebaseerde magneten, is een van de huidige onderzoeksinteresses op het gebied van magnetisme de studie van magneten met één molecuul die bestaan ​​uit metaalionen en organische liganden. De magnetische eigenschappen van magneten met één molecuul zijn puur moleculair van oorsprong, en er is voorgesteld dat in de toekomst magneten met één molecuul kunnen worden gebruikt in informatieopslag met hoge dichtheid, op spin gebaseerde elektronica (spintronica) en kwantumcomputers.

Helaas vertonen de meeste van de momenteel bekende magneten met één molecuul hun magnetische eigenschappen alleen bij lage temperaturen nabij het absolute nulpunt (? 273 ° C), waardoor ze niet in elektronische apparaten kunnen worden gebruikt. De eerste magneet met één molecuul die zijn magnetisatie behield boven het kookpunt van vloeibare stikstof (? 196 ° C) werd gerapporteerd in 2018. Deze studie betekende een aanzienlijke doorbraak op het gebied van magnetische materialen, aangezien het aantoonde dat magneten met één molecuul functioneren bij hogere temperaturen kunnen ook worden gerealiseerd.

Uitstekende magnetische eigenschappen van de gerapporteerde verbinding bij de verhoogde temperaturen kwamen voort uit de optimale driedimensionale structuur van de verbinding. In theorie zouden vergelijkbare ontwerpprincipes kunnen worden gebruikt voor magneten met één molecuul die meer dan één metaalion bevatten, maar het beheersen van de driedimensionale structuur van multinucleaire verbindingen is veel uitdagender.

Overbruggende organische radicalen werden gebruikt in de nieuwe verbinding

In plaats van de driedimensionale structuur van de gerapporteerde verbinding volledig te beheersen, werd in deze studie een andere ontwerpstrategie gebruikt.

“Net als dysprosiumionen hebben organische radicalen ook ongepaarde elektronen die kunnen interageren met ongepaarde elektronen van metaalionen. Organische radicalen kunnen dus worden gebruikt om de magnetische eigenschappen van een systeem te regelen, samen met metaalionen. Bijzonder interessante organische radicalen overbruggen degenen omdat ze kunnen interageren met meerdere metaalionen. We hebben deze ontwerpstrategie in onze studie toegepast en verrassend genoeg hebben we een verbinding gesynthetiseerd waarbij niet alleen één maar twee organische radicalen twee dysprosiumionen overbrugden en ook een pannenkoekbinding vormden door hun ongepaarde elektronen, “Prof. Muralee Murugesu van de Universiteit van Ottawa verduidelijkt.

“Hoewel de vorming van de pannenkoekbinding tussen twee radicalen algemeen bekend is, was dit de eerste keer dat de pannenkoekbinding werd waargenomen tussen twee metaalionen. De interactie tussen organische radicalen wordt vaak pannenkoekbinding genoemd vanwege de driedimensionale structuur. van op elkaar inwerkende organische radicalen lijkt op een stapel pannenkoeken, ”vertelt prof. Jaclyn L. Brusso van de Universiteit van Ottawa.

De pannenkoekbinding in de nieuwe verbinding was erg sterk. Daarom hadden de ongepaarde elektronen van de organische radicalen geen sterke interactie met de ongepaarde elektronen van de dysprosiumionen en functioneerde de verbinding alleen bij lage temperaturen als een magneet met één molecuul. De studie maakt echter de weg vrij voor de nieuwe ontwerpstrategie voor nieuwe multinucleaire magneten met één molecuul en heeft de aanzet gegeven tot verder onderzoek.

“Computationele chemiemethoden hebben belangrijke inzichten opgeleverd in de elektronische structuur en magnetische eigenschappen van de verbinding die in toekomstige studies kunnen worden gebruikt. Door het juiste soort organische radicalen te kiezen, kunnen we niet alleen de aard van de pannenkoekbinding tussen de radicalen controleren, maar ook verbeteren de magnetische eigenschappen van de verbinding in het algemeen, “zegt Academieonderzoeker Jani O. Moilanen van de Universiteit van Jyväskylä.