Ученые предложили аналог пигмента крови для создания магнитной памяти
Магнитно-активную молекулу на основе синтетического аналога порфирина, пигмента в составе гемоглобина крови, и иона металла диспрозия впервые синтезировала научная группа российских и испанских исследователей, 8 мая сообщает портал «Научная Россия» со ссылкой на пресс-службу РНФ.
Эта молекула в миллиарды раз меньше используемых в современной технике магнитов, что позволит на ее основе создавать миниатюрные устройства для записи и хранения информации, а также молекулярные датчики и сенсоры.
Современные компьютерные процессоры на основе микросхем практически достигли пределов мощности и миниатюризации. Объем информации, который может хранить и обрабатывать современное вычислительное устройство, определяется количеством размещенных в нем транзисторов. При этом в современном компьютере их число достигло более 16 миллиардов.
Каждые два года количество транзисторов в вычислительном устройстве увеличивается вдвое, что приводит к росту габаритов и потребляемой энергии. Чтобы избежать этого, в последнее время идет разработка новой технологии, позволяющей хранить информацию с помощью не электрических зарядов, подаваемых на транзисторы, а магнитных моментов электронов — которые можно назвать молекулярным магнитным полем.
Эта технология поможет в будущем сделать электронные устройства миниатюрнее и при этом увеличить их производительность и скорость обработки информации. Такие молекулярные магниты можно создавать, например, соединяя атомы металлов с органическими частями (лигандами). В этом случае намагниченностью такого молекулярного магнита можно управлять внешним магнитным полем.
Порфирин считается одним из перспективных соединений, на основе которых можно создавать «молекулярные магниты». Он представляет собой органический пигмент со структурой, состоящей из четырех тетрапиррольных колец.
Порфирин входит в состав гемоглобина крови, участвуя в переносе кислорода за счет соединения с ионом железа. При этом между кольцами порфирина можно разместить и другие металлы, что позволит изменять его магнитные характеристики.
Научная группа, в состав которой вошли специалисты ФИЦ проблем химической физики и медицинской химии (ФИЦ ПХФ и МХ) РАН, Института физики твердого тела РАН, Ивановского государственного химико-технологического университета, Института химии растворов им. Г. А. Крестова РАН и Института перспективных исследований в области химических наук (Испания), создала и исследовала магнитно-активное соединение на основе гемигексафиразина — синтетического аналога порфирина.
Имея больший размер, чем природный порфирин, это соединение более удобно для получения соединений на его основе. Также оно может занимать несколько положений в координационной сфере атома металла и вмещать в центральную полость несколько металлов. Эти свойства позволяют варьировать и подстраивать магнитные свойства молекулы, создаваемой на его основе.
Исследователи ввели в структуру этой молекулы атомы редкого металла диспрозия, который может создавать магнитное поле в пределах от 27 °С до 1627 °С. Эти свойства диспрозия используются в электронике для производства жестких дисков и флеш-накопителей.
Затем учеными были получены кристаллы этого соединения и проведен анализ структуры нового вещества, который показал, что каждое кольцо лиганда «вместило» в себя только один атом диспрозия. Это позволило избежать лишних магнитных связей.
Диспрозий позволяет подобным соединениям намагничиваться в широком диапазоне температур, что может быть использовано для создания устройств записи и хранения больших объемов информации, молекулярных датчиков и сенсоров.
Информацию можно будет записывать, намагничивая ионы диспрозия в молекуле. Их собственные моменты вращения электронов атомов при этом выравниваются вдоль линии магнитного поля, поэтому материал сохранит свою намагниченность после его отключения, обеспечивая сохранение данных.
Исследуя комплекс гемигексафиразина с диспрозием, исследователи получили новые знания о том, как происходит взаимодействие органических лигандов с ионами металлов, они помогут разрабатывать в дальнейшем новые магнитные материалы.
Участник проекта, ведущий научный сотрудник лаборатории перспективных полифункциональных материалов ФИЦ ПХФ и МХ РАН кандидат химических наук Максим Фараонов рассказал о проделанных командой исследованиях и планах на будущее:
«Ранее наши коллеги синтезировали соединение на основе аналога порфирина и одного атома диспрозия на поверхности золота. В этой работе мы показали, что синтез молекул с диспрозием в растворе тоже приводит к комплексу с одним атомом металла. Выявленная нами закономерность дает толчок к развитию магнитных материалов. Мы планируем продолжить эту работу и развивать предложенный подход, в частности „собрать“ и исследовать соединения, содержащие другие металлы. Это позволит менять их намагниченность, например, с помощью изменения температуры».
Результаты исследования участники проекта представили в статье «Расширенный порфирин, демонстрирующий нецентрированную внеплоскостную координацию с диспрозием», опубликованной в журнале CCS Chemistry.
