Магниты на основе молекул
Магниты на основе молекул ( MBM ) или молекулярные магниты представляют собой класс материалов, способных проявлять ферромагнетизм и другие более сложные магнитные явления. Этот класс расширяет свойства материалов, обычно связанные с магнитами, включая низкую плотность, прозрачность , электрическую изоляцию и низкотемпературное производство, а также сочетает магнитное упорядочение с другими свойствами, такими как фоточувствительность . По сути, все общие магнитные явления, связанные с обычными магнитами из переходных металлов и редкоземельными магнитами, можно обнаружить в магнитах на основе молекул. [1] [2] До 2011 года было замечено, что МБМ демонстрируют «магнитное упорядочение с температурой Кюри (T c ), превышающей комнатную температуру». [2] [3]
История
[ редактировать ]Первый синтез и характеристика МБМ были осуществлены Викманом и его сотрудниками в 1967 году. Это было соединение диэтилдитиокарбамат-хлорид железа (III). [4] [5]
В феврале 1992 года Гаттески и Сессоли опубликовали публикации о МБМ, уделив особое внимание созданию систем, в которых стабильные органические радикалы связаны с ионами металлов . [6] На тот момент самая высокая температура за всю историю наблюдений была измерена магнитометром СКВИДа и составила 30 К. [7]
Эта область получила настоящий взрыв в 1996 году с публикацией книги «Молекулярный магнетизм: от молекулярных сборок к устройствам». [8]
В феврале 2007 г. де Йонг и др. вырастил тонкопленочный TCNE MBM на месте, [9] а в сентябре 2007 года фотоиндуцированный магнетизм был продемонстрирован в магнитном полупроводнике на органической основе TCNE. [10]
Июньский выпуск журнала Chemical Society Reviews за 2011 год был посвящен МБМ. В редакционной статье, написанной Миллером и Гаттески, упоминаются TCNE и магнитное упорядочение при температуре выше комнатной, а также многие другие необычные свойства МБМ. [2]
Теория
[ редактировать ]Механизм, с помощью которого магниты на основе молекул стабилизируют и отображают суммарный магнитный момент, отличается от механизма, присутствующего в традиционных магнитах на основе металлов и керамики. В металлических магнитах неспаренные электроны выравниваются посредством квантово-механических эффектов (называемых обменом) в силу того, как электроны заполняют орбитали проводящей зоны . Для большинства керамических магнитов на основе оксидов неспаренные электроны на металлических центрах выравниваются через промежуточный диамагнитный мостиковый оксид (так называемый суперобмен ). Магнитный момент в магнитах на основе молекул обычно стабилизируется одним или несколькими из трех основных механизмов: [ нужна ссылка ]
- Через пространство или диполярную связь
- Обмен между ортогональными (неперекрывающимися) орбиталями в одной и той же пространственной области.
- Чистый момент за счет антиферромагнитной связи неравных спиновых центров ( ферримагнетизма )
В общем, магниты на основе молекул имеют тенденцию иметь низкую размерность. Классические магнитные сплавы на основе железа и других ферромагнитных материалов характеризуются металлической связью , при которой все атомы по существу связаны со всеми ближайшими соседями в кристаллической решетке . Таким образом, критические температуры, при которых классические магнетики переходят в упорядоченное магнитное состояние, имеют тенденцию быть высокими, поскольку взаимодействие между спиновыми центрами сильное. Однако магниты на основе молекул имеют узлы, поддерживающие вращение на молекулярных объектах, часто с узконаправленной связью. В некоторых случаях химическая связь ограничивается одним измерением (цепями). Таким образом, взаимодействия между спиновыми центрами также ограничены одним измерением, а температуры упорядочения намного ниже, чем у магнитов типа металл/сплав. Кроме того, большие части магнитного материала по существу диамагнитны и не вносят никакого вклада в чистый магнитный момент. [ нужна ссылка ]
Приложения
[ редактировать ]В 2015 году было показано, что оксодимерные магниты на основе Fe (сален) («противораковые наномагниты») в водной суспензии демонстрируют собственное ферромагнитное поведение при комнатной температуре, а также противоопухолевую активность с возможным медицинским применением в химиотерапии . [11] [12] [13] [14] магнитная доставка лекарств , магнитно-резонансная томография (МРТ) и терапия локальной гипертермии, индуцированной магнитным полем .
Фон
[ редактировать ]Магниты на основе молекул представляют собой класс материалов, которые отличаются от обычных магнитов по одному из нескольких показателей. Большинство традиционных магнитных материалов состоят исключительно из металлов (Fe, Co, Ni) или оксидов металлов (CrO 2 ), в которых спины неспаренных электронов, вносящие вклад в суммарный магнитный момент, располагаются только на атомах металла на орбиталях d- или f-типа. [ нужна ссылка ]
В магнитах на основе молекул структурные строительные блоки имеют молекулярную природу. Эти строительные блоки представляют собой либо чисто органические молекулы , координационные соединения , либо их комбинацию. В этом случае неспаренные электроны могут находиться на d- или f-орбиталях изолированных атомов металла, но могут также находиться на сильно локализованных s- и p-орбиталях, а также на чисто органических соединениях. Как и обычные магниты, их можно разделить на твердые и мягкие, в зависимости от величины коэрцитивного поля . [ нужна ссылка ]
Еще одной отличительной особенностью является то, что магниты на основе молекул изготавливаются с помощью низкотемпературных методов на основе растворов, а не высокотемпературной металлургической обработки или гальваники (в случае тонких магнитных пленок ). Это позволяет химически адаптировать молекулярные строительные блоки для настройки магнитных свойств. [ нужна ссылка ]
Конкретные материалы включают чисто органические магниты, состоящие из органических радикалов, например п-нитрофенилнитронилнитроксиды, [15] тетрацианоэтенид декаметилферроцения, [16] смешанно-координационные соединения с мостиковыми органическими радикалами, [17] Родственные соединения берлинской лазури , [18] и комплексы с переносом заряда . [19]
Магниты на основе молекул получают свой чистый момент от совместного эффекта молекулярных частиц, несущих спин, и могут демонстрировать объемное ферромагнитное и ферримагнитное поведение с истинной критической температурой . В этом отношении их контрастируют с одномолекулярными магнитами , которые по сути являются суперпарамагнетиками (показывая температуру блокировки по сравнению с истинной критической температурой). Эта критическая температура представляет собой точку, в которой материалы переключаются с простого парамагнетика на объемный магнит, и может быть обнаружена с помощью измерений восприимчивости и удельной теплоемкости . [ нужна ссылка ]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ [ мертвая ссылка ] молекулярных магнитных Общество исследования материалов , дата обращения 20 декабря 2007 г.
- ^ Jump up to: а б с Миллер, Джоэл С.; Гаттески, Данте (2011). «Магниты на основе молекул». Обзоры химического общества . 40 (6): 3065–3066. дои : 10.1039/C1CS90019F . ПМИД 21552607 .
- ^ Вебер, Биргит; Йегер, Эрнст-Г. (2009). «Структура и магнитные свойства комплексов железа (II/III) с N2O22-координирующими Шиффовыми основаниями лигандами (Eur. J. Inorg. Chem. 4/2009)». Европейский журнал неорганической химии . 2009 (4): 455. doi : 10.1002/ejic.200990003 .
- ^ Викман, Х.Х.; Троццоло, AM; Уильямс, HJ; Халл, Джорджия; Мерритт, Франция (10 марта 1967 г.). «Железный ферромагнетик со спином 3/2: его мессбауэровские и магнитные свойства». Физический обзор . 155 (2). Американское физическое общество (APS): 563–566. Бибкод : 1967PhRv..155..563W . дои : 10.1103/physrev.155.563 . ISSN 0031-899X .
- ^ Уикхэм, Х.Х.; Троццоло, AM; Уильямс, HJ; Халл, Джорджия; Мерритт, Франция (10 ноября 1967). «Железный ферромагнетик со спином 3/2: его мессбауэровские и магнитные свойства» . Физический обзор . 163 (2). Американское физическое общество (APS): 526. Бибкод : 1967PhRv..163..526W . дои : 10.1103/physrev.163.526 . ISSN 0031-899X .
- ^ Гаттески, Данте; Сессоли, Роберта (1992). «Магнитные материалы на молекулярной основе». Журнал магнетизма и магнитных материалов . 104–107: 2092–2095. Бибкод : 1992JMMM..104.2092G . дои : 10.1016/0304-8853(92)91683-К .
- ^ Коджови, Эпифан; Бержера, Пьер; Накатани, Кейтаро; Пей, Ю; Кан, Оливье (1992). «Магниты на молекулярной основе изучены с помощью сверхчувствительного СКВИД-магнитометра». Журнал магнетизма и магнитных материалов . 104–107: 2103–2104. Бибкод : 1992JMMM..104.2103C . дои : 10.1016/0304-8853(92)91687-О .
- ^ Коронадо, Эухенио; Делээс, Пьер; Гаттески, Данте; Миллер, Джоэл С., ред. (1996). Молекулярный магнетизм: от молекулярных сборок к устройствам . дои : 10.1007/978-94-017-2319-0 . ISBN 978-90-481-4724-3 .
- ^ Де Йонг, член парламента; Тенгстедт, К.; Канцюржевска А.; Карлегрим, Э.; Саланек, WR; Фальман, М. (2007). «Химическая связь в тонкопленочных магнитах V (TCNE) x (x ~ 2), выращенных на месте». Физический обзор B . 75 (6): 064407. Бибкод : 2007PhRvB..75f4407D . дои : 10.1103/PhysRevB.75.064407 .
- ^ Йоу, Чон Ву; Эдельштейн, Р. Шима; Раджу, Северная Каролина; Линкольн, DM; Эпштейн, Эй Джей (2008). «Новый механизм фотоиндуцированного магнетизма в магнитном полупроводнике на органической основе V(TCNE)x, x~2» . Журнал прикладной физики . 103 (7): 07Б912. Бибкод : 2008JAP...103gB912Y . дои : 10.1063/1.2830960 .
- ^ Эгути, Масанари, Рэйко; Сато, Итару; Хосино, Джин; Амемия, Сато, Хирата, Кунио; Кейитиро, Кацуми; Сато, Мамору; Аоки, Ичио, Ёсихиро (2015). .; Масуда, Такацугу, Масахиро; Ёсида , противораковое соединение для доставки под магнитным контролем и магнитно-резонансной томографии» . Scientific Reports . 5 : 9194. Bibcode : 2015NatSR...5E9194E doi : 10.1038 /srep09194 . PMC 4361848. . PMID 25779357 .
- ^ Сато, Масанари, Фукумура, Хиденобу; Хосино, Юджиро; Киой, Митому; Сато, Фудзита, Такаюки; Исикава, Ёсихиро (2016). с контролируемой доставкой лекарств с использованием наночастиц» . Одновременная Эгучи , Харуки ; химиотерапия гипертермия - Окумура, Сатоши , « ..624629S / doi : 10.1038 srep24629 PMC 4840378 .
- ^ Отаке, Масанари; Акимото, Тайсуке; Ким, Чон-Хван; Ёкояма, Накаяма, Хосино, Маи; Итио; Мурата, Хидетоши; Кавахара, Нобутака, Ёсихиро (2017). Токура, Масакадзу, Томоя; Масуда, Аоки , Fe . химиотерапия использованием наночастиц с » лечение на ( ) может Salen глиобластомы повлиять
- ^ Ким, Чон Хван; Эгучи, Харуки; Умемура, Масанари; Сато, Итару; Ямада, Сигэки; Хосино, Юджиро; Масуда, Такацугу; Аоки, Ичио; Сакурай, Кадзуо; Ямамото, Масахиро; Исикава, Ёсихиро (2017). «Наносборки ядро-оболочка из магнитного металлокомплексного проводящего сополимера для противораковой платформы с одним лекарственным средством» . Материалы НПГ Азия . 9 (3): е367. дои : 10.1038/am.2017.29 .
- ^ Объемный ферромагнетизм в кристалле β-фазы радикала п-нитрофенилнитронилнитроксида. Chemical Physics Letters , том 186, выпуски 4–5, 15 ноября 1991 г., страницы 401–404 Масафуми Тамура, Ясухиро Наказава, Дайсуке Сиоми, Киёкадзу Нодзава, Юко Хосокоси, Масаясу Исикава, Минуро Такахаси, Минору Киносита два : 10.1016/0009-2614(91)90198-I
- ^ Читтипедди, Саилеш; Кромак, КР; Миллер, Джоэл С.; Эпштейн, Эй Джей (22 июня 1987 г.). «Ферромагнетизм в молекулярном тетрацианоэтениде декаметилферроцения (DMeFc TCNE)». Письма о физических отзывах . 58 (25). Американское физическое общество (APS): 2695–2698. Бибкод : 1987PhRvL..58.2695C . дои : 10.1103/physrevlett.58.2695 . ISSN 0031-9007 . ПМИД 10034821 .
- ^ Канески, Андреа; Гаттески, Данте; Сессоли, Роберта; Рей, Пол (1989). «К молекулярным магнитам: металло-радикальный подход». Отчеты о химических исследованиях . 22 (11). Американское химическое общество (ACS): 392–398. дои : 10.1021/ar00167a004 . ISSN 0001-4842 .
- ^ Ферлей, С.; Маллах, Т.; Уаэс, Р.; Вейе, П.; Вердагер, М. (1995). «Металлоорганический магнит комнатной температуры на основе берлинской лазури». Природа . 378 (6558). Спрингер Природа: 701–703. Бибкод : 1995Natur.378..701F . дои : 10.1038/378701a0 . ISSN 0028-0836 . S2CID 4261137 .
- ^ Миллер, Джоэл С.; Эпштейн, Артур Дж.; Райфф, Уильям М. (1988). «Ферромагнитные молекулярные комплексы с переносом заряда». Химические обзоры . 88 (1). Американское химическое общество (ACS): 201–220. дои : 10.1021/cr00083a010 . ISSN 0009-2665 .