Физики и химики предложили новый способ создания недорогих магнитов

Международный коллектив ученых сообщил о новом рациональном подходе координационной химии к разработке магнитов с физическими свойствами (высокая температура, большая коэрцитивность, низкая плотность), которые конкурируют с характеристиками обычных неорганических магнитов.

toc_carre21.jpg

Сделан важный шаг на пути к полному управлению внутримолекулярными магнитными взаимодействиями в сильносвязанных молекулярных магнитах с рекордными характеристиками. Настало время, когда молекулярные магниты перестают быть просто объектами фундаментальных исследований в руках ученых и могут быть полезны для разработчиков современной электроники. Результаты исследования опубликованы в журнале Science.

Спрос на новые магнитные материалы значительно вырос за последнее время, ведь магниты находят своё применение во многих сферах нашей повседневной жизни от бытовых приборов до двигателей и медицинских устройств. В течение нескольких десятилетий химики пытались изготовить недорогие и энергоэффективные магниты, чьи физические свойства можно было бы регулировать на молекулярном уровне. Планируется, что молекулярные магниты будут дополнять используемые в настоящее время неорганические магниты и, возможно, даже конкурировать с ними. До настоящего времени ученые сообщали только об очень небольшом количестве магнитов на основе молекул, работающих при комнатной температуре. Например, в новаторской работе Дж. С. Миллера ученые впервые сообщили о магните из молекул, работающем при комнатной температуре, в 1991 г. [Science 252, 1415-1417 (1991)], а затем высокотемпературный магнетизм был также обнаружен на магнитах берлинской лазури [Nature 378, 701-703 (1995)]. Но, к сожалению, пример этих двух молекулярных систем не был распространен до обобщенного синтетического подхода к управляемым магнитам на основе молекул, работающим при комнатной температуре.

В настоящей статье было продемонстрировано, что окислительно-восстановительные процессы, действующие на предварительно подобранные координационные комплексы, представляют собой оптимальную стратегию для разработки магнитов с беспрецедентными характеристиками: работающими при температуре до 242°C (превышая текущий рекорд для координационных комплексов более чем на 100°C), демонстрируя большую коэрцитивную силу при комнатной температуре до 7500 Э (на 2 порядка выше, чем сообщалось ранее) и лёгкость (около 1.2 г см-3 против более тяжелых 5 г см-3 для неорганических магнитов). Эти новые магниты на основе молекул беспрецедентны по сравнению с современными магнитами и очень привлекательны для будущих приложений в современных магнитных датчиках и технологиях записи информации.

«Известно, что магниты из неорганических соединений являются ключевыми компонентами современных технологий. Однако, один из способов создания магнитов следующего поколения основан на использовании возможностей координационной химии, позволяющей соединять ионы металлов и недорогих органических лигандов. Следуя этому подходу, в 1991 в Science было впервые сообщено о магнитах на основе молекул VII[TCNE]X с рекордной критической температурой TC выше 400 K (130°C). Этот рекорд не был побит долгое время. Прорывные результаты в этой работе удалось получить благодаря созданию исследовательской команды и объединения знаний и навыков самых разных специалистов, прежде всего химиков и физиков из научных центров CNRS и ESRF. Был предложен подход, позволивший показать влияние технологии синтеза на свойства молекулярных магнетиков [Cr(pyz)2]2+, изготовленных из атомов Cr и пиразиновых (pyz) двумерных координационных комплексов. В результате получен ферримагнетик [Cr(pyz)2]° с рекордными характеристиками, которые являются новым рекордом среди молекулярных магнетиков и могут даже быть сравнимы со значительно более дорогими известными коммерческими магнитами на основе Nd-Fe-B и Sm-Co. Для понимания природы магнетизма в этой работе мы использовали методы синхротронного излучения. Нам удалось изучить изменение электронных свойств, координационного окружения и локальной намагниченности Cr в зависимости от условий восстановления. Экспериментально подтверждено, что спин-орбитальные взаимодействия лигандов c Cr пренебрежимо малы и не вносят орбитальный момент в атомные центры Cr. Этот факт свидетельствовал об основной роли только ионов Cr2+ в магнитном поведении этих новых магнетиков. Однако нам удалось показать, что не только поляризованное рентгеновское излучение может зафиксировать тонкие эффекты, но и то, что молекулярные магниты перестают быть просто объектами фундаментальных исследований в руках ученых и могут быть полезны для разработчиков современной электроники», – рассказал один из авторов работы, кандидат физико-математических наук Михаил ПЛАТУНОВ, старший научный сотрудник Института физики им. Л.В. Киренского.

Результаты, опубликованные в журнале Science, по исследованию локальной структуры и магнитной анизотропии молекулярных магнетиков представляют основу нового перспективного направления физики – рационального синтеза сильносвязанных молекулярных магнитов на основе ионов металлов и недорогих органических лигандов с рекордными характеристиками.

Информация опубликована на сайте Института физики СО РАН 30.10.2020