Na het laatste onderzoek op het gebied van het verkrijgen van magneten met één molecuul (SMM's), wetenschappers hebben een nieuwe stap gezet op weg naar het verkrijgen van superdichte magnetische herinneringen en moleculaire neurale netwerken, in het bijzonder de constructie van auto-associatieve herinneringen en multi-criteria optimalisatiesystemen die werken als het model van het menselijk brein. interessant, dit werd bereikt door gebruik te maken van methoden die beschikbaar zijn in een gemiddeld chemisch laboratorium.

Tot 100 miljoen bits in één vierkante millimeter magnetische opslagapparaten? Neurale netwerken gemaakt van enkele moleculen? Het werk dat is uitgevoerd door een team onder leiding van Lukasz Laskowski van de afdeling Molecular Engineering en Nano-elektronica van het Institute of Nuclear Physics van de Poolse Academie van Wetenschappen, dat zich richt op de scheiding van individuele deeltjes van moleculaire magneten, brengt ons dichter bij het bereiken van deze doelen.

Tot het einde van de jaren tachtig, een algemeen aanvaarde mening heerste dat ferromagnetische eigenschappen geassocieerd zijn met de kristalstructuur en alleen gerelateerd kunnen worden aan de juiste volumineuze kristallijne materie. Echter, in 1991, een materiaal gemaakt van Mn ₁₂ O ₁₂ (OAc) ₁₆ (H ₂ O) ₄ moleculen, ook bekend als Mn ₁₂ -stearaat, verscheen, die in tegenspraak waren met dit algemeen geloof. Het bleek dat dit materiaal onder een bepaalde temperatuur ferromagnetische eigenschappen vertoont. Het is de moeite waard om te benadrukken dat deze magnetische eigenschappen niet het gevolg waren van de eigenschappen van de kristalstructuur, zoals in het geval van ferromagnetische, maar van de kenmerken van een enkel molecuul. Daarom werden materialen van dit type single-molecule magnets (SMM's) genoemd.

Het is niet moeilijk om de toepassing van dergelijke verbindingen voor te stellen, bijvoorbeeld in superdichte geheugeneenheden of elementen van neurale netwerken. Daarom, het lijkt erop dat magneten met één molecuul snel op grote schaal zullen worden gebruikt. Echter, dit is niet gebeurd. Dit werd waarschijnlijk veroorzaakt door problemen met hun scheiding en het verkrijgen van een goed systeem van individuele moleculen die ver genoeg van elkaar verwijderd waren, zodat ze elkaar niet konden beïnvloeden. Bovendien, na het verkrijgen van een dergelijk systeem, het was nodig om een ​​methode te ontwikkelen om moleculen zo klein als 2 nm waar te nemen.

Dus hoe kan men de eigenschappen van magneten met één molecuul optimaal benutten? Hoe individuele deeltjes van dergelijk materiaal op het substraat te rangschikken zodat ze hun eigenschappen niet verliezen? Hoe de opkomst van een dergelijk systeem te verifiëren? Is het nodig om hiervoor geavanceerde technologieën te gebruiken?

Het uitgangspunt van het project was om gescheiden magneten met één molecuul op een magnetisch neutraal substraat te verkrijgen en dergelijke moleculen direct te observeren zonder het gebruik van geavanceerde laboratoriumtechnieken. Prioriteit lag bij het vervolgens gebruiken van de ontwikkelde procedures voor commerciële toepassingen. Na het kiezen van de eigenschappen van het materiaal in termen van fysisch-chemische en mechanische eigenschappen, en moleculaire structuur, het was nodig om een ​​syntheseprocedure zo te ontwikkelen dat de atomen zich naar verwachting zouden rangschikken, het creëren van het gewenste nanomateriaal. Vervolgens, moesten de onderzoekers een magneet met één molecuul kiezen, een substraat (matrix), het type verankerende moleculen op het oppervlak van het substraat, de manier om hun distributie en de afstand tussen hen te controleren, en werkwijzen voor directe observatie van dergelijke moleculen.

In het stadium van het selecteren van mogelijke soorten magneten met één molecuul, de Mn ₁₂ -stearaatverbinding werd erkend als de meest veelbelovende. Dit deeltje heeft een hoge grondtoestand spin S =10 en, daarom, een sterk magnetisch moment. Door enkele aanpassingen is de oplosbare vorm van Mn ₁₂ -stearaat werd verkregen, die bovendien bleek beter bestand te zijn tegen atmosferische impact.

Bij het overwegen van het type en de vorm van het gebruikte medium, de wetenschappers hielden rekening met het aspect van observatie van het verkregen materiaal. Expliciete bevestiging van het succes zou de directe observatie van Mn . zijn ₁₂ -stearaat moleculen op het oppervlak van de matrix. Echter, dit was moeilijk vanwege hun kleine omvang van slechts ongeveer 2 nm. De oplossing bleek het aanbrengen van sferisch silica. Magneten met één molecuul werden afgezet op bolvormige silicadeeltjes met een diameter van ongeveer 300 nm. Met de bolvorm en relatief kleine afmeting van een dergelijk substraat, ze konden duidelijk worden waargenomen met behulp van transmissie-elektronenmicroscopie (TEM). Vooral, het team concentreerde zich op het observeren van de horizon (periferie) van zo'n bol en het detecteren van de magneten met één molecuul die eraan verankerd zijn (figuren 1 en 2).

Het oppervlak van het silica dat is gekozen als substraat voor de afzetting van magnetische moleculen heeft talrijke hydroxylgroepen, die vervolgens kunnen worden veranderd in verankeringseenheden. De methode voor het verankeren van de moleculen hangt af van het hechten van butylnitrilgroepen aan de hydroxyleenheden aan het oppervlak en vervolgens omgezet in propylcarboxylgroepen door hydrolyse. Deze, beurtelings, gemakkelijk individuele Mn . vastleggen en immobiliseren ₁₂ -stearaat moleculen. Het probleem van het beheersen van de ankerdistributie was overwonnen, echter, met behulp van afstandhouders, waarmee de verdeling van verankeringseenheden tijdens de synthese kan worden gecontroleerd.

De materialen werden gesynthetiseerd in het laboratorium van de afdeling Molecular Engineering en Nano-elektronica van het Institute of Nuclear Physics van de Poolse Academie van Wetenschappen. De werkzaamheden met de materialen zijn uitgevoerd sinds 2018. De verkregen stoffen zijn getest op structurele eigenschappen met behulp van TEM-microscopie en vibrationele spectroscopie. Magnetische eigenschappen werden bepaald met behulp van SQUID-magnetometrie.

De verkregen resultaten bewijzen direct dat de onderzoeksgroep erin geslaagd is om individuele magnetische deeltjes op het silica-oppervlak te plaatsen. De procedure is robuust, herhaalbaar, en ongecompliceerd, daarom kan het worden gebruikt door wetenschappelijke en industriële eenheden die zijn uitgerust met gemiddeld uitgeruste laboratoria. Daarnaast, een zeer eenvoudige methode voor directe observatie van kleine moleculen die op een silicasubstraat waren afgezet, werd geïmplementeerd - Mn ₁₂ -stearaatmoleculen waren duidelijk zichtbaar, vooral in de buurt van de horizon van bolvormig silica met behulp van TEM-microscopie. Niemand heeft deze procedure ooit eerder toegepast. Een even belangrijke onderzoeksprestatie bleek de observatie te zijn dat magneten met één molecuul hun eigenschappen behouden, zelfs wanneer gescheiden van elkaar en ingebed op het substraat. In aanvulling, het was mogelijk om de manier van verankering van magnetische moleculen te bepalen, afhankelijk van de concentratie van verankeringseenheden.

De verkregen resultaten zijn erg belangrijk en moedigen verder werk aan dit soort materiaal aan. Momenteel, het team werkt aan het analyseren van de gedetailleerde resultaten van magnetische metingen voor de hier beschreven stoffen als functie van de concentratie van Mn ₁₂ -stearaat moleculen. De wetenschappers onderzoeken ook de duurzaamheid van de vervaardigde nanocomposieten. De volgende stap is de regularisatie van de verkregen systemen. Momenteel, de afstand tussen magnetische moleculen is statistisch geregeld, maar uiteindelijk, Mn ₁₂ -stearaat magneten met één molecuul moeten in een regelmatige zeshoekige configuratie op het substraat worden aangebracht. Dit zal mogelijk zijn door het gebruik van mesoporeuze silica met een geordende structuur van kanalen in de vorm van een dunne film en nauwkeurige meertraps functionalisering van het substraat.