Molekylbaserade magneter - Molecule-based magnets
Molekylbaserade magneter är en klass av material som kan visa ferromagnetism och andra mer komplexa magnetiska fenomen. Denna klass utökar materialegenskaperna som vanligtvis är associerade med magneter till att inkludera låg densitet, transparens, elektrisk isolering och tillverkning vid låg temperatur, samt kombinera magnetisk ordning med andra egenskaper såsom fotoresponsivitet. I huvudsak finns alla vanliga magnetiska fenomen associerade med konventionella övergångsmetaller och sällsynta jordartsmagneter i molekylbaserade magneter.
Historia
Den första syntesen och karakteriseringen av molekylbaserade magneter utfördes av Wickman och medarbetare 1967. Detta var en dietyldyldiokarbamat-Fe (III) kloridförening.
Teori
Mekanismen genom vilken molekylbaserade magneter stabiliseras och visar ett nettomagnetiskt moment är annorlunda än den som finns i traditionella metall- och keramikbaserade magneter. För metallmagneter anpassas de oparade elektronerna genom kvantmekaniska effekter (benämns utbyte) på grund av det sätt på vilket elektronerna fyller orbitalerna i det ledande bandet . För de flesta oxidbaserade keramiska magneter inriktas de oparade elektronerna på metallcentrerna via den mellanliggande diamagnetiska överbryggande oxiden (benämnd superexchange ). Magnetmomentet i molekylbaserade magneter stabiliseras vanligtvis av en eller flera av tre huvudmekanismer:
- Genom rymd- eller dipolär koppling
- Utbyte mellan ortogonala (icke-överlappande) orbitaler i samma rumsliga region
- Nettomoment via antiferromagnetisk koppling av icke lika centrifugeringscentra ( ferrimagnetism )
I allmänhet tenderar molekylbaserade magneter att ha låg dimension. Klassiska magnetiska legeringar baserade på järn och andra ferromagnetiska material har metallbindning , med alla atomer väsentligen bundna till alla närmaste grannar i kristallgitteret. Således tenderar kritiska temperaturer vid vilken tidpunkt dessa klassiska magneter övergår till det ordnade magnetiska tillståndet att vara höga, eftersom interaktioner mellan centrifugeringscentra är starka. Molekylbaserade magneter har emellertid rotationsbärande enheter på molekylära enheter, ofta med högriktningsbindning. I vissa fall är kemisk bindning begränsad till en dimension (kedjor). Således är interaktioner mellan centrifugeringscentra också begränsade till en-dimension och beställningstemperaturerna är mycket lägre än magneter av metall / legeringstyp. Dessutom är stora delar av magnetmaterialet i huvudsak diamagnetiska och bidrar inte till nettomagnetmomentet.
Dessa aspekter av molekylbaserade magneter utgör betydande utmaningar mot att nå det slutliga målet för molekylbaserade magneter "rumstemperatur". Lågdimensionella material kan dock ge värdefulla experimentella data för validering av fysikmodeller av magnetism (som ofta har låg dimension för att förenkla beräkningar).
Applikationer
Molekylbaserade magneter förblir för närvarande laboratoriekuriositeter utan verkliga applikationer, till stor del på grund av den mycket låga kritiska temperaturen vid vilken dessa material blir magnetiska. Detta är relaterat till magneten på den magnetiska kopplingen, som är mycket svag i dessa material. I detta avseende liknar de supraledare , som kräver kylning för användning. Nyligen visade oxo-dimeriska Fe (salen) -baserade magneter ("anticancer nanomagneter") i en vattensuspension ferromagnetiskt beteende vid rumstemperatur, liksom antitumöraktivitet, med möjliga medicinska tillämpningar inom kemoterapi , magnetisk läkemedelsavgivning , magnetisk resonansavbildning (MR) ) och magnetfältinducerad lokal hypertermi-terapi .
Bakgrund
Molekylbaserade magneter består av en klass av material som skiljer sig från konventionella magneter på ett av flera sätt. De flesta traditionella magnetiska material utgörs enbart av metaller (Fe, Co, Ni) eller metalloxider (CRO 2 ) i vilka de oparade elektronerna snurrar som bidrar till nettomagnetmomentet bor endast på metallatomer i d- eller f-typ orbitaler.
I molekylbaserade magneter är de strukturella byggstenarna molekylära. Dessa byggstenar är antingen rent organiska molekyler , koordinationsföreningar eller en kombination av båda. I detta fall kan de oparade elektronerna ligga i d- eller f-orbitaler på isolerade metallatomer, men kan också ligga i mycket lokaliserade s- och p-orbitaler på den rent organiska arten. Liksom konventionella magneter, kan de klassificeras som hård eller mjuk, beroende på storleken på tvångsfältet .
Ett annat utmärkande drag är att molekylbaserade magneter framställs via lösningsbaserade tekniker med låg temperatur, kontra metallurgisk bearbetning eller galvanisering vid hög temperatur (i fallet med magnetiska tunna filmer ). Detta möjliggör en kemisk anpassning av de molekylära byggstenarna för att ställa in de magnetiska egenskaperna.
Specifika material inkluderar rent organiska magneter gjorda av organiska radikaler, till exempel p-nitrofenylnitronylnitroxider, decametylferroceniumtetracanoetenid, blandade koordinationsföreningar med överbryggande organiska radikaler, preussiska blå- relaterade föreningar och laddningsöverföringskomplex .
Molekylbaserade magneter hämtar sitt nettomoment från den samverkande effekten av de spinnbärande molekylära enheterna och kan uppvisa ferromagnetiskt och ferrimagnetiskt beteende med en sann kritisk temperatur . I detta avseende är de kontrasterade med enmolekylmagneter , som i huvudsak är superparamagneter (visar en blockeringstemperatur kontra en sann kritisk temperatur). Denna kritiska temperatur representerar den punkt vid vilken materialen byter från en enkel paramagnet till en bulkmagnet och kan detekteras med växelströmskänslighet och specifika värmemätningar .