Een Canadees-Finse samenwerking heeft geleid tot de ontdekking van een nieuwe magnetische verbinding waarin twee magnetische dysprosiummetaalionen worden overbrugd door twee aromatische organische radicalen die een pannekoekbinding vormen. De resultaten van deze studie kunnen worden gebruikt om de magnetische eigenschappen van vergelijkbare verbindingen te verbeteren. Het theoretische onderzoek van de studie werd uitgevoerd door de Academy Research Fellow Jani O. Moilanen aan de Universiteit van Jyväskylä, terwijl het experimentele werk werd uitgevoerd aan de Universiteit van Ottawa in de groepen van Profs. Muralee Murugesu en Jaclyn L. Brusso. De onderzoeksresultaten zijn gepubliceerd in het gerenommeerde scheikundetijdschrift— Anorganische Chemie Grenzen in juli 2020 - met de cover art.

Magneten worden gebruikt in veel moderne elektronische apparaten, variërend van mobiele telefoons en computers tot medische beeldvormingsapparatuur. Naast de traditionele op metaal gebaseerde magneten, een van de huidige onderzoeksinteresses op het gebied van magnetisme is de studie van magneten met één molecuul bestaande uit metaalionen en organische liganden. De magnetische eigenschappen van magneten met één molecuul zijn puur moleculair van oorsprong, en er is voorgesteld dat in de toekomst, magneten met één molecuul kunnen worden gebruikt in informatieopslag met hoge dichtheid, op spin gebaseerde elektronica (spintronica), en kwantumcomputers.

Helaas, de meeste van de momenteel bekende magneten met één molecuul vertonen hun magnetische eigenschappen alleen bij lage temperaturen nabij het absolute nulpunt (?273°c), die hun gebruik in elektronische apparaten verhindert. De eerste magneet met één molecuul die zijn magnetisatie boven het kookpunt van vloeibare stikstof (-196 °C) behield, werd in 2018 gerapporteerd. Deze studie was een aanzienlijke doorbraak op het gebied van magnetische materialen, omdat het aantoonde dat magneten met één molecuul functioneren bij ook hogere temperaturen kunnen worden gerealiseerd.

Uitstekende magnetische eigenschappen van de gerapporteerde verbinding bij de verhoogde temperaturen kwamen voort uit de optimale driedimensionale structuur van de verbinding. In theorie, vergelijkbare ontwerpprincipes zouden kunnen worden gebruikt voor magneten met één molecuul die meer dan één metaalion bevatten, maar het beheersen van de driedimensionale structuur van meerkernige verbindingen is veel uitdagender.

Overbruggende organische radicalen werden gebruikt in de nieuwe verbinding

In plaats van de driedimensionale structuur van de gerapporteerde verbinding volledig te beheersen, in dit onderzoek is een andere ontwerpstrategie gehanteerd.

"Als dysprosiumionen, organische radicalen hebben ook ongepaarde elektronen die kunnen interageren met ongepaarde elektronen van metaalionen. Dus, organische radicalen kunnen samen met metaalionen worden gebruikt om de magnetische eigenschappen van een systeem te regelen. Bijzonder interessante organische radicalen zijn overbruggende, omdat ze kunnen interageren met meerdere metaalionen. We gebruikten deze ontwerpstrategie in onze studie, en verrassend, we hebben een verbinding gesynthetiseerd waarin niet alleen één maar twee organische radicalen twee dysprosium-ionen overbrugden en een pannenkoekbinding vormden via hun ongepaarde elektronen, " Prof. Muralee Murugesu van de Universiteit van Ottawa verduidelijkt.

"Hoewel de vorming van de pannenkoekenbinding tussen twee radicalen algemeen bekend is, dit was de eerste keer dat de pannenkoekbinding werd waargenomen tussen twee metaalionen. De interactie tussen organische radicalen wordt vaak pancake bonding genoemd omdat de driedimensionale structuur van op elkaar inwerkende organische radicalen lijkt op een stapel pannenkoeken, " vertelt prof. Jaclyn L. Brusso van de Universiteit van Ottawa.

De pannekoekbinding in de nieuwe verbinding was erg sterk. Daarom, de ongepaarde elektronen van de organische radicalen hadden geen sterke interactie met de ongepaarde elektronen van de dysprosiumionen en de verbinding functioneerde alleen bij lage temperaturen als een magneet met één molecuul. Echter, de studie effent de weg voor de nieuwe ontwerpstrategie voor nieuwe multinucleaire magneten met één molecuul en heeft verder onderzoek geïnitieerd.

"Computational-chemische methoden hebben belangrijke inzichten opgeleverd in de elektronische structuur en magnetische eigenschappen van de verbinding die in toekomstige studies kunnen worden gebruikt. Door de juiste soort organische radicalen te kiezen, kunnen we niet alleen de aard van de pannenkoekbinding tussen de radicalen controleren, maar ook verbeteren de magnetische eigenschappen van de verbinding in het algemeen, "Academy Research Fellow Jani O. Moilanen van de Universiteit van Jyväskylä merkt op.