Pannukakkusidoksen avulla kohti uusia magneettisia materiaaleja

Magneetteja hyödynnetään monissa laitteissa aina kännyköistä ja tietokoneista lääketieteellisiin magneettikuvauslaitteisiin asti. Perinteisten magneettisten metallien lisäksi yhtenä erityisenä mielenkiinnon kohteena magneettisten materiaalien tutkimuksessa ovat olleet yksittäismolekyylimagneetit, joiden magneettiset ominaisuudet ovat peräisin yksittäisistä molekyyleistä.  Magneettisten ominaisuuksiensa ansiosta yksittäismolekyylimagneetteja voitaisiin hyödyntää tulevaisuudessa korkean tallennuskapasiteetin kiintolevyissä, spintroniikassa ja kvanttitietokoneiden laskentayksiköissä.

Valitettavasti suurin osa nykyään tunnetuista yksittäismolekyylimagneeteista säilyttää magneettiset ominaisuutensa vain erittäin matalissa lämpötiloissa lähellä absoluuttista nollapistettä (−273 °C), joten niiden laajamittainen hyödyntäminen vaatii vielä paljon perustason tutkimusta. Vuonna 2018 yksittäismolekyylimagneettien tutkimuksessa tehtiin kuitenkin läpimurto; tällöin raportointiin ensimmäinen korkean lämpötilan yksittäismolekyylimagneetti, joka säilytti magneettiset ominaisuutensa nestemäisen typen kiehumispisteen yläpuolella (−196 °C).

Yhdisteen korkean lämpötilan magneettiset ominaisuudet johtuivat yhdisteen oikeanlaisesta kolmiulotteisesta rakenteessa. Periaatteessa samaa strategiaa voitaisiin hyödyntää myös useamman kuin yhden dysprosium-ionin omaavissa yksittäismolekyylimagneeteissa, mutta useampiytimisten yhdisteiden kolmiulotteisen rakenteen kontrolloiminen on huomattavasti hankalampaa kuin yksiytimisten kompleksien.

Uudessa yhdisteessä hyödynnettiin siltaavia ograanisia radikaaleja

Nyt julkaistussa yhdisteessä, joka koostuu kahdesta dysprosium-ionista ja kahdesta orgaanisesta radikaalista, hyödynnettiin toisenlaista strategiaa yhdisteen kolmiulotteisen rakenteen optimoinnin sijaan.

”Kuten dysprosium-ionit, myös orgaaniset radikaalit sisältävät parittomia elektroneja, joiden avulla yhdisteen magneettisia ominaisuuksia voidaan kontrolloida. Erityisen mielenkiinnon kohteena ovat siltaavat orgaaniset radikaalit, jotka voivat sitoutua useampaan kuin yhteen metalli-ioniin. Hyödynsimme tätä strategiaa omassa tutkimuksessamme, mutta yllätykseksemme huomasimme, että yhden siltaavan radikaalin sijaan kahden dysprosium-ionin väliin sitoutui kaksi orgaanista radikaalia, jotka muodostivat pannukakkusidoksen parittomien elektroniensa avulla”, kertoo professori Muralee Murugesu Ottawan yliopistosta.

”Vaikka pannukakkusidoksia orgaanisten radikaalien välillä on tunnettu pitkään, niin tämä on ensimmäinen kerta, kun sellainen on havaittu metalliatomeja sitovien siltaavien orgaanisten radikaalien välillä. Sidosta kutsutaan pannukakkusidoksesi, koska vuorovaikutukseen osallistuvien orgaanisten radikaalien muodostama kolmiulotteinen rakenne muistuttaa pannukakkupinoa”, kertoo professori Jaclyn L. Brusso Ottawan yliopistosta.

Orgaanisten radikaalien parittomien elektronien muodostama pannukakkusidos oli myös erittäin vahva tutkitussa yhdisteessä. Tämän takia orgaanisten radikaalien parittomat elektronit eivät vuorovaikuttaneet dysprosium-ionien parittomien elektronien kanssa, ja yhdiste toimi yksittäismolekyylimagneettina vain alhaisessa lämpötilassa. Tutkimus avasi kuitenkin uuden mahdollisen reitin useampiytimisten yksittäismolekyylimagneettien valmistukseen luoden vahvan pohjan myös jatkotutkimuksille. 

”Laskennallisen kemian menetelmien avulla saimme arvokasta tietoa yhdisteen elektronirakenteesta ja magneettisista ominaisuuksista, jota voidaan hyödyntää jatkotutkimuksissa. Valitsemalla oikeanlaiset orgaaniset radikaalit dysprosium-ionien väliin voimme muokata sekä orgaanisten radikaalien välillä olevaa pannukakkusidosta että vahvistaa yhdisteen magneettisia ominaisuuksia”, kommentoi akatemiatutkija Jani O. Moilanen Jyväskylän yliopistosta.

Tutkimusta rahoittivat Ottawan ja Jyväskylän yliopistot, CFI, NSERC, ja Suomen Akatemia. Projektin laskennalliset resurssit tarjosivat CSC – Tieteen tietotekniikan keskus (the Finnish Grid and Cloud Infrastructure persistent identifier urn:nbn:fi:research-infras-2016072533) sekä professori Heikki M. Tuononen Jyväskylän yliopistosta

Linkki artikkeliin Inorganic Chemistry Frontiers –julkaisuun (7, 2020): https://doi.org/10.1039/D0QI00365D

Lisätietoja:

Akatemiatutkija, Jani O. Moilanen, Kemian Laitos, Jyväskylän yliopisto, jani.o.moilanen@jyu.fi, puh. +358 408 054 849

Prof. Muralee Murugesu, Department of Chemistry and Biomolecular Sciences, University of Ottawa, m.murugesu@uottawa.ca, puh. +1 613 562 572 8

Prof. Jaclyn L. Brusso, Department of Chemistry and Biomolecular Sciences, University of Ottawa, jbrusso@uOttawa.ca, puh. +1 613 562 580 0