Soms vereist het maken van een geheel nieuw type doos 'outside-the-box'-denken, en dat is precies wat Spartaanse chemici gebruikten om een ​​magnetische kubus van acht atomen te maken.

Dat kleine doosje vormt het hart van een nieuw magnetisch molecuul dat toekomstige technologieën voor gegevensopslag, kwantumcomputers en meer zou kunnen aandrijven.

"In het begin leek onze aanpak een heel wild idee", zegt Selvan Demir, een assistent-professor scheikunde aan het College of Natural Science. "Maar het blijkt te werken."

Demir en haar team publiceerden hun werk in het tijdschrift Chem , waarin het onderzoek op de omslag van het nummer van 10 maart stond.

Een deel van wat het idee van de onderzoekers zo wild maakte, was hun keuze om te werken met startingrediënten die notoir kieskeurig zijn in de chemiegemeenschap.

Eén ingrediënt is een groep elementen die lanthaniden worden genoemd en die een speciale rij naar de onderkant van het periodiek systeem der elementen innemen. De andere is het metallische element bismut, dat doorgaans niet al te veel aandacht krijgt (hoewel sommigen het misschien herkennen van zijn rol in felroze maagzuurremmers zoals Pepto Bismol).

"Als je me zou hebben gevraagd toen ik bij MSU begon:" Ga je bismutchemie doen?" Ik zou waarschijnlijk hebben gezegd:"Nee. Waarom zou ik dat doen?'" zei Demir. "Bismutchemie wordt over het algemeen als saai beschouwd. Maar het blijkt dat bismut op verrassend rijke manieren met andere elementen combineert."

Door een manier te vinden om het bismut te combineren met een lanthanide-element - met name terbium of dysprosium - creëerden ze een molecuul met permanente magnetische kenmerken. Het is hetzelfde magnetisme als in staafmagneten en harde schijven, maar op een veel kleinere schaal.

De kleinschaligheid van moleculaire magneten biedt technologische mogelijkheden, zoals het verbeteren van de opslagcapaciteit van magnetische harde schijven. Er zijn ook opkomende toepassingen waarbij conventionele magneten simpelweg te groot zijn om bij te dragen, zoals in processors voor kwantumcomputers.

De eerste magneet met één molecuul werd ongeveer 30 jaar geleden ontdekt en sindsdien zijn onderzoekers op zoek naar nieuwe variëteiten met verschillende fysische en chemische eigenschappen. Ze hebben ook gewerkt aan de ontwikkeling van creatievere chemische benaderingen om de magneten te maken. Hier valt het werk van de Demir-groep op.

Ze-Yu Ruan en Ming-Liang Tong, chemici aan de Sun Yat-Sen University in China die niet betrokken waren bij het onderzoek, beschreven het project als "ongekend" en "indrukwekkend" in een preview-artikel voor het tijdschrift Chem .

"Dit was waarschijnlijk het moeilijkste dat ik met mijn team heb gemaakt", zei Demir.

"Het resultaat was aanvankelijk onverwacht, maar nadat we het hadden ontdekt, hebben we de synthese geoptimaliseerd om de verbinding voor analyse te targeten. We moesten waarschijnlijk 100 reacties uitvoeren om de beste omstandigheden te vinden om het te maken."

Het molecuul zelf ziet er echter eenvoudig uit, in tegenspraak met de complexiteit van het proces dat nodig is om het te maken. De boven- en onderkant van het molecuul zijn afgedekt met ringen van koolstof- en waterstofatomen. Elke ring is gekoppeld aan een lanthanide die een kubus vormt met de bismutatomen.

"De lanthanidemetalen zitten een beetje op een troon die lijkt op de 'stoel'-structuur van cyclohexaan, een speciaal structureel motief dat bekend is in de organische chemie," zei Demir. "Het is erg stabiel."

Die stabiliteit komt hier goed van pas, want de natuur houdt er meestal niet van om kubussen te maken.

Ondanks de complexiteit van het proces, de gevoeligheid van de betrokken ingrediënten en de uitdagingen van de structurele en fysieke karakterisering, zijn de Spartaanse wetenschappers erin geslaagd een gloednieuw type magneet met één molecuul te ontdekken.

"We zijn de eersten wereldwijd die dit maken. Ik vind dat cool", zei Demir. "Het is niet elke dag dat je een nieuw pad naar iets vindt. Maar het is de uitdaging van het werk in dit soort onbekend, risicovol gebied dat ervoor zorgt dat we elke dag terugkomen naar het lab." + Verder verkennen

Lanthanide-lanthanidebindingen gebruiken om krachtigere permanente magneten te creëren