Дизайн молекулярных магнетиков

Преимущества молекулярных магнетиков по сравнению с классическими
Низкая плотность
Механическая гибкость
Низкотемпературная технологичность
Высокая прочность
Модуляция и настройка свойств с помощью органической химии
Растворимость
Низкое загрязнение окружающей среды
Совместимость с полимерами для композитов
Биосовместимость
Высокая магнитная восприимчивость
Высокая намагниченность
Высокая остаточная намагниченность
Низкая магнитная анизотропия
Прозрачность
Полупроводниковая и изоляционная электропроводность

Цель работы
изложение теоретических основ и некоторых результатов последних исследований специфического класса магнитоактивных материалов – так называемых наномагнетиков, или молекулярных магнетиков
Примеры различных конфигураций спинов в отсутствие внешнего поля

Главные условия для создания молекулярного магнетика
Подбор «строительных блоков», в качестве которых могут возникать органические высокоспиновые парамагнитные молекулы или парамагнитные ионы металлов, как источники неспаренных электронов, а также органические и элементоорганические мостики, способные реализовать обменные взаимодействия.
Поиск организации этих молекул в кристалле или в аморфном твёрдом теле для обеспечения ферромагнитного порядка спинов.
Для получения молекулярных магнетиков могут быть использованы разнообразные современные приёмы как органической, так и неорганической химии. В связи с этим существует классификация молекулярных магнетиков на чисто органические и металлсодержащие соединения.

Органические молекулярные магнетики
S = 4, основное состояние – нонет (2S + 1 = 9)
Тс = 16,1 К
Тс = 420-460 К
Бучаченко А.Л., Вассерман А.М.. Стабильные радикалы. М.: Химия, 1973. 408 с.
Sugawara R., Bandow Sh., Kimura K. et al. // Journal of American Chemical Society. 1984. V. 106. P. 6449
Iwamura H., Sugawara T., Itoh K. // Molecular Crystals and Liquid Crystals. 1985. V. 125. P. 261
Коршак Ю.В., Овчинников А.А., Шапиро А.М. и др. ЦПисьма в ЖЕТФ. 1986. Т. 43. С. 309.
Korshak Yu., Medvedeva T., Ovchinnikov A. et al. // Nature. 1987. V.326. P.370.

Металлсодержащие молекулярные магнетики
Оксалаты. Твёрдые фазы оксалатных комплексов металла имеют двух- или трёхмерную полимерную структуру. При этом 2D-мерная слоистая полимерная структура будет образовываться по мотиву пчелиных сот (а), а 3D-структура в виде каркаса по мотиву сросшихся десятиугольников (б).

Металлсодержащие молекулярные магнетики
Диоксоматы.
Соединение упорядочивается антиферромагнитно при Т=2,2 К
Pei Y., Verdaguer M., Kahn O., Sletten J., Renard J.-P.. // Journal of the American Chemical Society. 1986. V. 108. P. 7428.
Kahn O., Pei Y., Verdaguer M., Renard J.-P., Sletten J.. // Journal of the American Chemical Society. 1988. V. 110. P. 782.

Практическая значимость молекулярных магнетиков
Один из наиболее важных примеров практического применения молекулярных магнитоактивных материалов в молекулярной электронике – это создание материалов для записи, хранения и передачи информации.
Наряду с молекулярной электроникой стремительно развивающейся областью исследований является молекулярная спинтроника, в которой передатчиком информации служит спин электрона.

Схема спиновых переходов для комплекса двухвалентного железа с шиффовыми основаниями и изотиоцианатными лигандами
Kahn O. // Chemistry in Britain. 1999. V. 35. P. 24.

Схема перехода между низкоспиновой (LS) и высокоспиновой (HS) формами комплекса кобальта с редокс-активными о-семихиноновыми лигандами
Cui A., Takanashi K., Fujishima A., Sato O.. // Journal of Photochemistry and Photobiology A. 2004. V. 161. P. 243.

Метод синтеза гетерометаллических комплексов

Одностадийный метод синтеза гетерометаллических комплексов
ΔЕ = 10,5 К
Oshio H., Nihei M.. // Bulletin of the Chemical Society of Japan. V. 80. P. 608-620.

Ll = N-(2-гидрокси-5-нитробензил)иминодиэтанол
S = 19/2
ΔE = 18,1 K
Oshio H., Nihei M.. // Bulletin of the Chemical Society of Japan. V. 80. P. 608-620.

Основные перспективы направленного дизайна молекулярных магнетиков
Разработка новых лигандных систем, способных обеспечить эффективные каналы обмена между парамагнитными центрами с высокой магнитной анизотропией
Поиск способов управления характером обменных взаимодействий с целью достижения максимального значения спина основного состояния систем
Создание полифункциональных молекулярных магнитных материалов, сочетающих магнитную активность одновременно с другими полезными физико-химическими свойствами (оптическими, фотохимическими, выраженной электрической проводимостью и т.д.)