Ett kanadensisk-finskt samarbete har lett till upptäckten av en ny magnetisk förening där två magnetiska dysprosiummetalljoner överbryggas av två aromatiska organiska radikaler som bildar en pannkaksbindning. Resultaten av denna studie kan användas för att förbättra de magnetiska egenskaperna hos liknande föreningar. Den teoretiska undersökningen av studien utfördes av akademiforskaren Jani O. Moilanen vid Jyväskylä universitet, medan det experimentella arbetet utfördes vid University of Ottawa i grupper av Profs. Muralee Murugesu och Jaclyn L. Brusso. Forskningsresultaten publicerades i den välkända kemitidskriften— Oorganisk kemi gränser i juli 2020 — med omslagsbilden.

Magneter används i många moderna elektroniska enheter, allt från mobiltelefoner och datorer till medicinska bilder. Förutom de traditionella metallbaserade magneterna, ett av de aktuella forskningsintressena inom magnetismområdet har varit studiet av enmolekylära magneter bestående av metalljoner och organiska ligander. De magnetiska egenskaperna hos enmolekylära magneter är rent av molekylärt ursprung, och det har föreslagits att i framtiden, enmolekylära magneter kan användas i högdensitetsinformationslagring, spinnbaserad elektronik (spintronik), och kvantdatorer.

Tyvärr, de flesta av de för närvarande kända enmolekylmagneterna uppvisar endast sina magnetiska egenskaper vid låga temperaturer nära absoluta nollpunkten (? 273°c), som förhindrar att de används i elektroniska apparater. Den första enmolekylära magneten som bibehöll sin magnetisering över kokpunkten för flytande kväve (?196 °C) rapporterades 2018. Denna studie var ett avsevärt genombrott inom området för magnetiska material eftersom den visade att enmolekylära magneter fungerar vid högre temperaturer kan också realiseras.

Utmärkta magnetiska egenskaper hos den rapporterade föreningen vid de förhöjda temperaturerna härrörde från den optimala tredimensionella strukturen av föreningen. I teorin, liknande designprinciper skulle kunna användas för magneter med en molekyl som innehåller mer än en metalljon, men att kontrollera den tredimensionella strukturen hos multinukleära föreningar är mycket mer utmanande.

Överbryggande organiska radikaler användes i den nya föreningen

Istället för att helt kontrollera den tredimensionella strukturen av den rapporterade föreningen, en annan designstrategi användes i denna studie.

"Som dysprosiumjoner, Organiska radikaler har också oparade elektroner som kan interagera med oparade elektroner av metalljoner. Således, organiska radikaler kan användas för att kontrollera de magnetiska egenskaperna hos ett system tillsammans med metalljoner. Särskilt intressanta organiska radikaler är överbryggande sådana eftersom de kan interagera med flera metalljoner. Vi använde denna designstrategi i vår studie, och överraskande nog, vi syntetiserade en förening där inte bara en utan två organiska radikaler överbryggade två dysprosiumjoner och bildade en pannkaksbindning genom deras oparade elektroner, " Prof. Muralee Murugesu från University of Ottawa förtydligar.

"Även om bildningen av pannkaksbindningen mellan två radikaler är välkänd, detta var första gången som pannkaksbindningen observerades mellan två metalljoner. Interaktionen mellan organiska radikaler kallas ofta pannkaksbindning eftersom den tredimensionella strukturen hos interagerande organiska radikaler liknar en bunt pannkakor, " Prof. Jaclyn L. Brusso från University of Ottawa berättar.

Pannkaksbindningen i den nya blandningen var mycket stark. Därför, de oparade elektronerna i de organiska radikalerna interagerade inte starkt med de oparade elektronerna i dysprosiumjonerna och föreningen fungerade som en enkelmolekylär magnet endast vid låga temperaturer. Dock, studien banar väg för den nya designstrategin för nya multinukleära enmolekylära magneter och har initierat ytterligare forskning.

"Beräkningskemiska metoder gav viktiga insikter i föreningens elektroniska struktur och magnetiska egenskaper som kan användas i framtida studier. Genom att välja rätt sorts organiska radikaler kan vi inte bara kontrollera karaktären på pannkaksbindningen mellan radikalerna utan också förbättra de magnetiska egenskaperna hos föreningen totalt sett, ", kommenterar Akademiforskaren Jani O. Moilanen från Jyväskylä universitet.