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 низкотемпературное производство, 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. [1]
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). [2] [3]
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 того, как 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 вносят никакого вклада в чистый магнитный момент.
Эти аспекты магнитов на основе молекул создают серьезные проблемы для достижения конечной цели создания магнитов на основе молекул 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 оксодимера Fe (салена) («противораковые наномагниты») в водной суспензии продемонстрировали собственное ферромагнитное поведение при комнатной температуре, а также противоопухолевую активность, что может быть использовано в медицине в химиотерапии , [4] [5] [6] [7] магнитная доставка лекарств , магнитно-резонансная томография (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 разновидностях. 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 технологий на основе растворов, в отличие от высокотемпературной металлургической обработки или гальваники (в случае тонких магнитных пленок ). Это дает возможность химического подбора молекулярных строительных блоков для настройки магнитных свойств.
Конкретные материалы включают чисто органические магниты из органических радикалов, например п-нитрофенилнитронилнитроксиды, [8] тетрацианоэтенид декаметилферроцения, [9] смешанные координационные соединения с мостиковыми органическими радикалами, [10] соединения, родственные берлинской синей , [11] и перенос заряда комплексы . [12]
Магниты на основе молекул получают свой суммарный момент из кооперативного эффекта молекулярных объектов, несущих спин, и могут демонстрировать объемное ферромагнитное и ферримагнитное поведение с истинной критической температурой . 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 теплоемкости .
Рекомендации
- ^ Общество исследования материалов на основе магнитов на молекулах, получено20 декабря 2007 г.
- ^ Wickman, HH; Троццоло, AM; Уильямс, HJ; Халл, ГВт; Мерритт, FR (1967-03-10). "Железный ферромагнетик спин-3/2: его мессбауэровские и магнитные свойства". Физический обзор . Американское физическое общество (APS). 155 (2): 563–566. DOI : 10.1103 / Physrev.155.563 . ISSN 0031-899X .
- ^ Wickham, HH; Троццоло, AM; Уильямс, HJ; Халл, ГВт; Мерритт, Франция (1967-11-10). "Железный ферромагнетик Спин-3/2: его мессбауэровские и магнитные свойства". Физический обзор . Американское физическое общество (APS). 163 (2): 526–526. DOI : 10.1103 / Physrev.163.526 . ISSN 0031-899X .
- ^ Егучи, Харуки; Умемура, Масанари; Куротани, Рэйко; Фукумура, Хиденобу; Сато, Итару; Ким, Чон-Хван; Хосино, Юдзиро; Ли, Джин; Амемия, Наоюки; Сато, Мотохико; Хирата, Кунио; Сингх, Дэвид Дж .; Масуда, Такацугу; Ямамото, Масахиро; Урано, Цутому; Ёсида, Кейитиро; Танигаки, Кацуми; Ямамото, Масаки; Сато, Мамору; Иноуэ, Сейичи; Аоки, Ичио; Исикава, Ёсихиро (2015). «Магнитное противораковое соединение для доставки под магнитным контролем и магнитно-резонансной томографии» . Научные отчеты . 5 : 9194. Bibcode : 2015NatSR ... 5E9194E . DOI : 10.1038 / srep09194 . PMC 4361848 . PMID 25779357 .
- ^ Сато, Итару; Умемура, Масанари; Мицудо, Кендзи; Фукумура, Хиденобу; Ким, Чон-Хван; Хосино, Юдзиро; Накашима, Хидеюки; Киои, Митому; Накакадзи, Рина; Сато, Мотохико; Фудзита, Такаяки; Ёкояма, Утако; Окумура, Сатоши; Оширо, Хисаши; Егучи, Харуки; Тонай, Иваи; Исикава, Ёсихиро (2016). «Одновременная гипертермия-химиотерапия с контролируемой доставкой лекарств с использованием наночастиц одного лекарства» . Научные отчеты . 6 : 24629. Bibcode : 2016NatSR ... 624629S . DOI : 10.1038 / srep24629 . PMC 4840378 . PMID 27103308 .
- ^ Отаке, Макото; Умемура, Масанари; Сато, Итару; Акимото, Тайсуке; Ода, Кайоко; Нагасако, Аканэ; Ким, Чон-Хван; Фудзита, Такаяки; Ёкояма, Утако; Накаяма, Томохиро; Хосино, Юдзиро; Ishiba, Mai; Токура, Сусуму; Хара, Масакадзу; Мурамото, Томоя; Ямада, Сотоши; Масуда, Такацугу; Аоки, Ичио; Такемура, Ясуши; Мурата, Хидетоши; Егучи, Харуки; Кавахара, Нобутака; Исикава, Ёсихиро (2017). «Гипертермия и химиотерапия с использованием наночастиц Fe (Салена) могут повлиять на лечение глиобластомы» . Научные отчеты . 7 : 42783. Bibcode : 2017NatSR ... 742783O . DOI : 10.1038 / srep42783 . PMC 5316938 . PMID 28218292 .
- ^ Ким, Чон-Хван; Егучи, Харуки; Умемура, Масанари; Сато, Итару; Ямада, Шигеки; Хосино, Юдзиро; Масуда, Такацугу; Аоки, Ичио; Сакураи, Кадзуо; Ямамото, Масахиро; Исикава, Ёсихиро (2017). «Магнитный металл-комплексный проводящий сополимер наноустройства ядро – оболочка для противораковой платформы с одним лекарством» . NPG Asia Materials . 9 (3): e367. DOI : 10.1038 / am.2017.29 .
- ^ Насыпная ферромагнетизма в β-фазе кристалле п-нитрофенил nitronyl нитроксильного радикала Химической Physics Letters , том 186, вопросы 4-5, 15 ноября 1991 года, страницы 401-404 Masafumi Тамура, Ясухиро~d Наказав, Дайсуке Shiomi, Kiyokazu Нозав, Юко Хосокоши, Масаясу Исикава, Минуро Такахаши, Минору Киношита doi : 10.1016 / 0009-2614 (91) 90198-I
- ^ Читтипедди, Сайлеш; Кромак, КР; Миллер, Джоэл С .; Эпштейн, AJ (1987-06-22). «Ферромагнетизм в молекулярном тетрацианоэтениде декаметилферроцения (DMeFc TCNE)». Письма с физическим обзором . Американское физическое общество (APS). 58 (25): 2695–2698. DOI : 10.1103 / physrevlett.58.2695 . ISSN 0031-9007 .
- ^ Канески, Андреа; Гаттески, Данте; Сессоли, Роберта; Рей, Пол (1989). «К молекулярным магнитам: металл-радикальный подход». Счета химических исследований . Американское химическое общество (ACS). 22 (11): 392–398. DOI : 10.1021 / ar00167a004 . ISSN 0001-4842 .
- ^ Ferlay, S .; Маллах, Т .; Ouahès, R .; Veillet, P .; Вердагер, М. (1995). «Металлоорганический магнит комнатной температуры на основе берлинской лазурки». Природа . Springer Nature. 378 (6558): 701–703. DOI : 10.1038 / 378701a0 . ISSN 0028-0836 .
- ^ Миллер, Джоэл С .; Эпштейн, Артур Дж .; Рейфф, Уильям М. (1988). «Ферромагнитные молекулярные комплексы с переносом заряда». Химические обзоры . Американское химическое общество (ACS). 88 (1): 201–220. DOI : 10.1021 / cr00083a010 . ISSN 0009-2665 .