Ученые ТПУ в составе международной коллаборации разработали стратегию рационального супрамолекулярного дизайна. Она позволяет контролировать силу обменного взаимодействия в чисто-органических магнитных материалах, используя сразу два типа нековалентных связей без использования ионов металлов. Результаты исследований показывают, что кристаллы, созданные по новой технологии, обладают магнитными свойствами почти на два порядка сильнее по сравнению с исходными материалами. Это открывает возможности для создания магнитных материалов для спинтроники и органической электроники.
Исследование поддержано Российским научным фондом (№24−73−10026) и Минобрнауки России (AAAA-A21−121011390040−4). Результаты работы ученых опубликованы в журнале Crystal Growth & Design (Q1, IF: 3,4).
Молекулярный магнетизм – активно развивающееся направление на стыке физики и химии с фокусом на создании молекул, обладающих предсказуемыми и настраиваемыми магнитными свойствами. В качестве носителей магнитного момента в них выступают локализованные на молекулах неспаренные электроны. Однако контролировать обменное взаимодействие в них бывает затруднительно из-за малой предсказуемости пространственного расположения молекул в твердой фазе.
Химики Томского политеха в коллаборации с российскими и зарубежными учеными разработали стратегию рационального супрамолекулярного дизайна. Она основана на одновременном применении двух типов слабых невалентных связей – галогенной и водородной. Их кооперативный эффект позволил увеличить межмолекулярные обменные взаимодействия от околонулевых значений до -78 K, что приближенно к лучшим органическим магнитным материалам на основе нитронил нитроксильных радикалов.
«Принцип нашей технологии состоит в использовании линейного акцептора невалентных взаимодействий – 1,4-диазабициклооктана (DABCO), имеющего два симметричных сайта связывания. За счет удачной геометрии молекулы DABCO и спин-меченные молекулы-доноры выстраиваются в линейные ансамбли, организованные галогенной и водородной связями. Такой дизайн способствует сближению неспаренных электронов между супрамолекулярными цепями, что увеличивает силу обменного взаимодействия. Новая технология дает более предсказуемые и настраиваемые результаты по сравнению с подходами, основанными на применении только одного типа связи», — отмечает один из авторов исследования, доцент Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий ТПУ Павел Петунин.
С помощью нового подхода политехники синтезировали три кристаллических материала с разной выраженностью магнитных свойств. Результаты рентгеноструктурного анализа показали образование новых супрамолекулярных ансамблей и изменение магнитных свойств, которые обусловлены перекрыванием ОЗМО-орбиталей (орбиталь с неспаренным электроном – ред.) между связанными в цепи молекулами. Так, в некоторых случаях магнитный обмен в материалах усилился практически на два порядка по сравнению с изолированными радикалами.
«Мы совершили ключевой шаг в нашем цикле работ по супрамолекулярным магнетикам, имеющий значение для всех исследователей в этом направлении. Сейчас мы не просто показали, что, меняя “упаковку”, мы наблюдаем какие-то слабые изменения. Мы показали, что использование невалентных взаимодействий для получения более выраженных магнитных свойств – это жизнеспособная стратегия. Это тот результат, который отличает нашу работу от всех предыдущих по этой теме», — добавляет аспирант, младший научный сотрудник лаборатории «Химическая инженерия и молекулярный дизайн» Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий ТПУ Матвей Шуриков.
В будущем такой подход может лечь в основу создания различных мультифункциональных материалов и устройств: от разработки сенсорных устройств нового поколения до исследования эффекта памяти отдельных молекул для создания устройств с высокой плотностью записи информации.
В исследовании принимали участие ученые Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий Томского политеха, Международного томографического центра СО РАН, Санкт-Петербургского государственного университета, Института химической кинетики и горения им. В. В. Воеводского СО РАН, Института органической химии им. Н. Д. Зелинского РАН, Университет Балеарских островов (Испания) и Миланского технического университета (Италия).
Источник: Минобрнауки России
