Коллектив сотрудников нескольких научных учреждений РАН совместно с японскими коллегами синтезировал чувствительные к магнитному полю комплексы органических соединений спиропиранов с металлами. Оказалось, что комплексы представляют собой моноионные магниты — соединения, в которых отдельно взятый атом металла в окружении органических остатков проявляет свойства традиционного магнита. Помимо этого, один из комплексов чувствителен к свету. Так, под влиянием зелёного света он распадался, а при освещении ультрафиолетом собирался заново.
Потенциально такие вещества можно использовать в качестве молекулярного магнита, управляемого светом, в оптоэлектронных устройствах для хранения и передачи информации. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Inorganic Chemistry Frontiers.
В современной физике востребованы молекулы, свойства которых можно легко и предсказуемо менять с помощью внешних воздействий, например света, температуры, давления. Эти соединения можно использовать при создании молекулярных переключателей, оптических и температурных датчиков и других устройств. Одни из таких «настраиваемых» соединений — фотохромные спиропираны. Эти органические молекулы состоят из нескольких связанных в цепочку колец. При этом под действием света «цепочка» может либо замыкаться, и тогда спиропиран представляет собой бесцветное вещество, либо размыкаться (выпрямляться в полисопряжённую молекулу). Во втором случае соединения приобретают интенсивную тёмно-фиолетовую окраску.
Кроме того, если присоединить к молекулам спиропиранов ионы металлов, можно получить вещества, которые будут реагировать на свет не просто сменой окраски, но и изменением магнитных свойств. Однако на сегодняшний день известно не много подобных комплексов, поэтому учёные продолжают искать новые соединения.
Химики из Федерального исследовательского центра проблем химической физики и медицинской химии РАН (Черноголовка) с коллегами синтезировали управляемые светом магнитные соединения на основе спиропиранов и двух разных металлов — диспрозия и тербия. Для этого исследователи в атмосфере благородного газа аргона смешали йодсодержащие соли соответствующих металлов и спиропираны. Такие условия позволили избежать воздействия влаги, которая может привести к разрушению комплексов.
Чтобы исследовать магнитные свойства полученных молекул, авторы поместили их в магнитное поле. Эксперимент показал, что при температурах порядка от −272 до −268 °С (близких к температуре абсолютного нуля) комплекс диспрозия представляет собой моноионный (содержащий один ион металла) магнит. Это означает, что комплекс намагничивается под действием магнитного поля, а после выключения этого поля сохраняет свою намагниченность в течение относительно длительного времени. Кроме того, химики доказали, что этим соединением можно «управлять» с помощью света.
Так, под зелёным освещением комплекс диссоциировал (распадался), а под ультрафиолетом быстро восстанавливался. Это свойство в перспективе позволит «переключаться» между разными состояниями полученной молекулы с помощью света и применять её в оптоэлектронных устройствах.
«Благодаря магнитным свойствам полученные молекулы потенциально могут лечь в основу устройств записи и хранения информации, в которых один бит информации хранит одна молекула, а не миллионы, как сейчас. Это поможет миниатюризировать современные устройства для обработки и хранения данных», — рассказывает участник проекта, поддержанного грантом РНФ, Дмитрий Конарев, доктор химических наук, заведующий лабораторией перспективных полифункциональных материалов ФИЦ ПХФ и МХ РАН.
«Сейчас полученные „магниты“ работают при очень низкой температуре. В дальнейшем мы планируем модифицировать строение этих соединений так, чтобы повысить рабочую температуру. Ещё одна важная задача заключается в том, чтобы добиться фотопереключения комплексов в твёрдом виде — в кристалле, — а не только в растворе, как это было показано в нашей работе», — дополняет участник проекта, поддержанного грантом РНФ, Максим Фараонов, кандидат химических наук, ведущий научный сотрудник лаборатории перспективных полифункциональных материалов ФИЦ ПХФ и МХ РАН.
В исследовании принимали участие сотрудники Института химической кинетики и горения им. В.В. Воеводского СО РАН (Новосибирск), Института физики твёрдого тела им. Ю.А. Осипьяна РАН (Черноголовка) и Киотского университета (Япония).
Ранее исследователи синтезировали магнитно-активные соединения на основе сложных комплексов органических молекул с металлами — металлопорфиринов. Интересно, что соединения с одинаковым составом, но разным строением имели принципиально разное магнитное поведение. Эти комплексы можно будет использовать при разработке датчиков и переключателей.