Efter den senaste forskningen inom området för att erhålla singelmolekylmagneter (SMM), forskare har tagit ytterligare ett steg på vägen mot att få supertäta magnetiska minnen och molekylära neurala nätverk, i synnerhet konstruktionen av autoassociativa minnen och multikriteriumoptimeringssystem som fungerar som modellen för den mänskliga hjärnan. Intressant, detta uppnåddes genom att använda metoder som finns tillgängliga i ett genomsnittligt kemiskt laboratorium.

Upp till 100 miljoner bitar i en kvadratmillimeter av magnetiska lagringsenheter? Neurala nätverk gjorda av enstaka molekyler? Arbetet som utförs av ett team ledd av Lukasz Laskowski från Institutionen för molekylär teknik och nanoelektronik vid Institutet för kärnfysik vid den polska vetenskapsakademin som fokuserar på separationen av enskilda partiklar av molekylära magneter för oss närmare att uppnå dessa mål.

Fram till slutet av 1980-talet, en allmänt accepterad åsikt rådde att ferromagnetiska egenskaper är associerade med kristallstrukturen och endast kan relateras till lämpligt skrymmande kristallint material. Dock, 1991, ett material tillverkat av Mn ₁₂ O ₁₂ (OAc) ₁₆ (H ₂ O) ₄ molekyler, även känd som Mn ₁₂ -stearat, dök upp, som stred mot denna vanliga uppfattning. Det visade sig att detta material under en viss temperatur uppvisar ferromagnetiska egenskaper. Det är värt att betona att dessa magnetiska egenskaper inte berodde på egenskaperna hos kristallstrukturen, som i fallet med ferromagnetik, men från egenskaperna hos en enda molekyl. Det är därför material av denna typ kallades single-molecule magnets (SMM).

Det är inte svårt att föreställa sig tillämpningen av sådana föreningar, till exempel i supertäta minnesenheter eller element i neurala nätverk. Därför, Det verkar som om magneter med en molekyl snabbt kommer att bli allmänt använda. Dock, detta hände inte. Detta orsakades förmodligen av problem med deras separation och att få ett ordentligt system av individuella molekyler placerade tillräckligt långt från varandra som hindrade dem från att påverka varandra. Dessutom, efter att ha erhållit ett sådant system, det var nödvändigt att utveckla en metod för att observera molekyler så små som 2 nm.

Så hur kan man få ut det mesta av egenskaperna hos enmolekylära magneter? Hur arrangerar man individuella partiklar av sådant material på substratet så att de inte förlorar sina egenskaper? Hur kan man verifiera uppkomsten av ett sådant system? Är det nödvändigt att använda sofistikerad teknik för detta ändamål?

Grundantagandet för projektet var att erhålla separerade enmolekylära magneter på ett magnetiskt neutralt substrat och att direkt observera sådana molekyler utan användning av avancerad laboratorieteknik. Prioriteringen var den efterföljande användningen av de utvecklade procedurerna för kommersiella tillämpningar. Efter att ha valt materialets egenskaper när det gäller fysikalisk-kemiska och mekaniska egenskaper, och molekylstruktur, det var nödvändigt att utveckla en syntesprocedur på ett sådant sätt att atomerna förväntas ordna sig, skapa önskat nanomaterial. Sedan, forskarna var tvungna att välja en magnet med en molekyl, ett substrat (matris), typen av förankringsmolekyler på ytan av substratet, sättet att kontrollera deras fördelning och avståndet mellan dem, och metoder för direkt observation av sådana molekyler.

I stadiet för att välja möjliga typer av enmolekylära magneter, Mn ₁₂ -stearatföreningen erkändes som den mest lovande. Denna partikel har ett högt grundtillståndsspinn S =10 och, därför, ett starkt magnetiskt ögonblick. På grund av vissa ändringar, den lösliga formen av Mn ₁₂ -stearat erhölls, som dessutom visade sig vara mer motståndskraftig mot atmosfärisk påverkan.

När man överväger typen och formen på det medium som används, forskarna tog hänsyn till aspekten av observation av det erhållna materialet. Uttrycklig bekräftelse på framgången skulle vara den direkta observationen av Mn ₁₂ -stearatmolekyler på matrisens yta. Dock, detta var svårt på grund av deras ringa storlek på endast cirka 2 nm. Lösningen visade sig vara appliceringen av sfärisk kiseldioxid. Enmolekylmagneter avsattes på sfäriska kiseldioxidpartiklar med en diameter av ungefär 300 nm. Med den sfäriska formen och relativt lilla storleken på ett sådant substrat, de kunde tydligt observeras med hjälp av transmissionselektronmikroskopi (TEM). Särskilt, teamet fokuserade på att observera själva horisonten (periferin) av en sådan sfär och detektera de enmolekylära magneterna som är förankrade vid den (fig 1 och 2).

Ytan på kiseldioxiden som valts som substrat för avsättning av magnetiska molekyler har många hydroxylgrupper, som sedan kan omvandlas till förankringsenheter. Metoden för att förankra molekylerna beror på att butylnitrilgrupperna fästs på ythydroxylenheterna och sedan omvandlas till propylkarboxylgrupper genom hydrolys. Dessa, i tur och ordning, enkelt fånga och immobilisera individuella Mn ₁₂ -stearatmolekyler. Problemet med att kontrollera ankarfördelningen var övervunnen, dock, med hjälp av distansenheter, vilket möjliggör övervakning av fördelningen av förankringsenheter under syntes.

Materialen syntetiserades i laboratoriet vid Institutionen för molekylär teknik och nanoelektronik vid Institutet för kärnfysik vid den polska vetenskapsakademin. Arbetet med materialen har bedrivits sedan 2018. De erhållna ämnena har testats med avseende på strukturella egenskaper med hjälp av TEM-mikroskopi och vibrationsspektroskopi. Magnetiska egenskaper bestämdes med användning av SQUID-magnetometri.

De erhållna resultaten bevisar direkt att forskargruppen lyckades placera enskilda magnetiska partiklar på kiselytan. Förfarandet är robust, repeterbar, och okomplicerad, därför kan den användas av vetenskapliga och industriella enheter utrustade med genomsnittligt utrustade laboratorier. Förutom, en mycket enkel metod för direkt observation av små molekyler avsatta på ett kiseldioxidsubstrat implementerades - Mn ₁₂ -stearatmolekyler var tydligt synliga, speciellt nära horisonten för sfärisk kiseldioxid med hjälp av TEM-mikroskopi. Ingen har någonsin tillämpat detta förfarande tidigare. En lika viktig forskningsprestation visade sig vara observationen att enmolekylära magneter behåller sina egenskaper, även när de är separerade från varandra och inbäddade på substratet. Dessutom, det var möjligt att bestämma sättet att förankra magnetiska molekyler beroende på koncentrationen av förankringsenheter.

De erhållna resultaten är mycket viktiga och uppmuntrar till fortsatt arbete med denna typ av material. För närvarande, teamet arbetar med att analysera de detaljerade resultaten av magnetiska mätningar för de ämnen som beskrivs här som en funktion av koncentrationen av Mn ₁₂ -stearatmolekyler. Forskarna undersöker också hållbarheten hos de tillverkade nanokompositerna. Nästa steg blir att reglera de erhållna systemen. För närvarande, avståndet mellan magnetiska molekyler regleras statistiskt, men i slutändan, Mn ₁₂ -stearat-enkelmolekylmagneter ska anordnas på substratet i en vanlig hexagonal konfiguration. Detta kommer att vara möjligt med användning av mesoporös kiseldioxid med en ordnad struktur av kanaler i form av en tunn film och exakt flerstegsfunktionalisering av substratet.