Molekylbaserte magneter - Molecule-based magnets
Molekylbaserte magneter er en klasse materialer som kan vise ferromagnetisme og andre mer komplekse magnetiske fenomener. Denne klassen utvider materialegenskapene som vanligvis er knyttet til magneter til å inkludere lav tetthet, gjennomsiktighet, elektrisk isolasjon og lavtemperaturfabrikasjon, samt kombinere magnetisk ordre med andre egenskaper som fotoresponsivitet. I hovedsak kan alle vanlige magnetiske fenomener assosiert med konvensjonelle overgangsmetall- og sjeldne jordbaserte magneter finnes i molekylbaserte magneter.
Historie
Den første syntesen og karakteriseringen av molekylbaserte magneter ble utført av Wickman og medarbeidere i 1967. Dette var en diethyldithiocarbamate-Fe (III) kloridforbindelse.
Teori
Mekanismen som molekylbaserte magneter stabiliserer og viser et nettomagnetisk moment er forskjellig fra den som finnes i tradisjonelle metall- og keramikkbaserte magneter. For metallmagneter justeres de uparede elektronene gjennom kvantemekaniske effekter (betegnet utveksling) i kraft av måten elektronene fyller orbitalene til det ledende båndet . For de fleste oksidbaserte keramiske magneter justeres de uparede elektronene på metallsentrene via det mellomliggende diamagnetiske brooksydet (betegnet superexchange ). Magnetmomentet i molekylbaserte magneter stabiliseres vanligvis av en eller flere av tre hovedmekanismer:
- Gjennom plass eller dipolar kobling
- Bytte mellom ortogonale (ikke-overlappende) orbitaler i samme romlige region
- Nettomoment via antiferromagnetisk kobling av ikke like spin sentre ( ferrimagnetisme )
Generelt har molekylbaserte magneter en tendens til å ha lav dimensjonalitet. Klassiske magnetiske legeringer basert på jern og andre ferromagnetiske materialer har metallbinding , med alle atomer i hovedsak bundet til alle nærmeste naboer i krystallgitteret. Dermed har kritiske temperaturer da disse klassiske magneter krysser over til den bestilte magnetiske tilstanden, en tendens til å være høye, siden interaksjoner mellom sentrifugeringssentre er sterke. Molekylbaserte magneter har imidlertid sentrifugeringsbærende enheter på molekylære enheter, ofte med svært retningsbestemt binding. I noen tilfeller er kjemisk binding begrenset til en dimensjon (kjeder). Således er interaksjoner mellom sentrifugeringssentre også begrenset til en-dimensjon, og bestillingstemperaturer er mye lavere enn magneter av metall / legeringstypen. Også store deler av magnetmaterialet er i det vesentlige diamagnetiske, og bidrar ikke noe til nettomagnetmomentet.
Disse aspektene av molekylbaserte magneter gir betydelige utfordringer mot å nå det endelige målet for "romtemperatur" molekylbaserte magneter. Lavdimensjonale materialer kan imidlertid gi verdifulle eksperimentelle data for validering av fysikkmodeller av magnetisme (som ofte har lav dimensjon, for å forenkle beregninger).
applikasjoner
Molekylbaserte magneter forblir foreløpig laboratoriekuriositeter uten applikasjoner fra den virkelige verden, hovedsakelig på grunn av den svært lave kritiske temperaturen der disse materialene blir magnetiske. Dette er relatert til størrelsen på den magnetiske koblingen, som er veldig svak i disse materialene. I denne forbindelse ligner de superledere , som krever kjøling for bruk. Nylig, okso dimere Fe (salen) -baserte magneter ( "anti-cancer nanomagnets") i en vannsuspensjon demonstrert indre romtemperatur ferromagnetisk oppførsel, så vel som anti-tumoraktivitet, med mulige medisinske anvendelser i kjemoterapi , magnetisk medikamentavgivelse , magnetisk resonansavbildning (MRI ), og magnetfeltindusert lokal hypertermi-terapi .
Bakgrunn
Molekylbaserte magneter består av en klasse materialer som skiller seg fra konvensjonelle magneter på en av flere måter. De fleste tradisjonelle magnetiske materialer består utelukkende av metaller (Fe, Co, Ni) eller metalloksyder (CRO 2 ) i hvilken de uparede elektroner spinnene som bidrar til den netto magnetisk moment ligge bare på metallatomer i d- eller f-orbitaltyper.
I molekylbaserte magneter er de strukturelle byggesteinene molekylære. Disse byggesteinene er enten rent organiske molekyler , koordineringsforbindelser eller en kombinasjon av begge. I dette tilfellet kan de uparrede elektronene ligge i d- eller f-orbitaler på isolerte metallatomer, men kan også ligge i høyt lokaliserte s- og p-orbitaler på den rent organiske arten. I likhet med konvensjonelle magneter kan de klassifiseres som harde eller myke, avhengig av størrelsen på tvangsfeltet .
Et annet kjennetegn er at molekylbaserte magneter fremstilles via lavtemperatur løsningsbaserte teknikker, mot høy temperatur metallurgisk prosessering eller galvanisering (i tilfelle magnetiske tynne filmer ). Dette muliggjør en kjemisk skreddersy av molekylære byggesteiner for å stille inn de magnetiske egenskapene.
Spesifikke materialer inkluderer rent organiske magneter laget av organiske radikaler, for eksempel p-nitrofenylnitronylnitroksider, dekametylferroceniumtetracanoetenid, blandede koordineringsforbindelser med brodannende organiske radikaler, preussiske blå- relaterte forbindelser og ladningstransferanse-komplekser .
Molekylbaserte magneter henter nettomomentet fra den samarbeidende effekten av de roterende bærende molekylære enhetene, og kan vise ferromagnetisk og ferrimagnetisk oppførsel med en virkelig kritisk temperatur . I denne forbindelse er de i motsetning til enkeltmolekylmagneter , som i det vesentlige er superparamagneter (som viser en blokkeringstemperatur versus en ekte kritisk temperatur). Denne kritiske temperaturen representerer det punktet da materialene bytter fra en enkel paramagnet til en bulkmagnet, og kan oppdages ved vekselstrømssensitivitet og spesifikke varmemålinger .