Вісник НАН України. 2018. № 10. С. 34-43
https://doi.org/10.15407/visn2018.10.034
ПАВЛІЩУК Віталій Валентинович —
академік НАН України, доктор хімічних наук, професор, заступник директора Інституту фізичної хімії ім. Л.В. Писаржевського НАН України
СУЧАСНІ ПРОБЛЕМИ МОЛЕКУЛЯРНОГО МАГНЕТИЗМУ
За матеріалами наукової доповіді на засіданні Президії НАН України 12 вересня 2018 року
У доповіді розглянуто результати досліджень, що проводяться в Інституті фізичної хімії ім. Л.В. Писаржевського НАН України, з вивчення молекулярного магнетизму поліядерних комплексів. Наведено оригінальні підходи до спрямованого синтезу поліядерних комплексів, із застосуванням яких створено кілька сотень нових мультиспінових систем. Особливу увагу приділено впровадженню отриманих результатів. Зокрема, розроблено високочутливі матеріали для неруйнівного контролю елементів конструкцій енергоблоків та літальних апаратів; нанокомпозити для магнітної експрес-сепарації біологічно активних речовин та діагностики онкологічних захворювань.
Ключові слова: молекулярний магнетизм, поліядерні комплекси, мультиспінові системи.
Встановлення впливу хімічної будови органічних і неорганічних речовин на їх фізико-хімічні властивості є важливим завданням хімічної науки. Вирішенню цієї проблеми багато уваги приділяли засновники Інституту фізичної хімії ім. Л.В. Писаржевського НАН України — академіки Лев Володимирович Писаржевський і Олександр Ілліч Бродський, піонерські праці яких присвячені введенню електронних уявлень у хімічну науку, всебічному вивченню фундаментальних і прикладних аспектів теорії хімічної будови і реакційної здатності. Ці підходи становлять основу сучасних досліджень, які проводяться в Інституті за такими напрямами, як фізична нанохімія, каталіз і нанофотокаталіз, молекулярне матеріалознавство, розроблення новітніх фізико-хімічних принципів створення нових функціональних речовин і матеріалів. Одним із напрямів, що активно розвивається в нашому Інституті, є дослідження явища молекулярного магнетизму, яке може виникати в складних багатоатомних молекулах. Різноманітними проблемами магнетизму успішно займаються в ряді установ НАН України фізичного профілю, однак у нашому Інституті, з огляду на його фізико-хімічну спрямованість, проводяться комплексні роботи в галузі саме молекулярного магнетизму.
Явище молекулярного магнетизму вперше було виявлено в 1995 р. групою науковців з Університету Флоренції, які довели, що одна-єдина ізольована молекула сполуки певної будови, до складу якої входить 12 іонів марганцю і яка була намагнічена в зовнішньому магнітному полі, здатна зберігати намагніченість навіть після вимкнення цього поля, демонструючи її повільну релаксацію та петлю магнітного гістерезису [1]. Природа такого явища має винятково молекулярне походження і для його виникнення не потрібна взаємодія між молекулами, тому складні молекули, що мають такі властивості, називають молекулами-магнітами або молекулярними магнетиками. Завдяки цим властивостям одна молекула може зберігати один біт інформації, що відкриває можливості для створення на основі молекулярних магнетиків матеріалів з безпрецедентною щільністю запису інформації [2].
Відкриття явища молекулярного магнетизму зумовило неабиякий інтерес до досліджень у цій галузі. Було показано, що основна причина виникнення молекулярного магнетизму пов’язана з тим, що в молекулах, до складу яких входить багато атомів металу з нескомпенсованими спіновими моментами і від’ємним значенням параметра магнітної анізотропії, існують два основні енергетичні стани зі значенням загального спінового квантового числа +Ms і –Ms [1–3]. Температуру, нижче від якої система блокується в одному з цих станів при накладанні зовнішнього магнітного поля, називають температурою блокування. Для переходу між цими двома станами потрібно подолати енергетичний активаційний бар’єр, висота якого залежить від величини загального спіну молекули в основному стані і параметра магнітної анізотропії іонів, так званого розщеплення в нульовому полі, що виникає внаслідок спін-орбітальної взаємодії (рис. 1). Саме існування двох таких станів і енергії активації для переходу між ними спричинює появу петлі магнітного гістерезису і релаксації намагніченості. Чим вищий такий бар’єр, тим більш високою є температура блокування і тим більшим буде час релаксації намагніченості, а отже, молекулярні елементи пам’яті зможуть довше зберігати інформацію.
На перший погляд здавалося, що для побудови молекулярного магніту достатньо ввести до складу молекули якомога більше іонів металу з неспареними електронами, тобто створити мультиспінові системи. На жаль, при введенні до однієї молекули іонів металів з неспареними електронами (на рис. 2 для спрощення наведено найпростіший випадок для двох іонів металу, кожен з яких має по одному неспареному електрону) їх спінові моменти починають взаємодіяти один з одним, причому здебільшого така взаємодія призводить до їх антипаралельної орієнтації, тобто зменшення потрібного нам значення загального спіну молекули в основному стані. Таку взаємодію називають антиферомагнітною, вона характеризується від’ємним значенням параметра обмінної взаємодії J. Набагато рідше в результаті обмінних взаємодій реалізується паралельне розташування спінових моментів в основному стані — так звана феромагнітна взаємодія, яка характеризується позитивними значеннями J.