A seguito delle ultime ricerche nel campo dell'ottenimento di magneti a singola molecola (SMM), gli scienziati hanno fatto un altro passo avanti verso l'ottenimento di memorie magnetiche super-dense e reti neurali molecolari, in particolare la costruzione di memorie autoassociative e sistemi di ottimizzazione multicriterio operanti come modello del cervello umano. interessante, ciò è stato ottenuto utilizzando metodi disponibili in un laboratorio chimico medio.

Fino a 100 milioni di bit in un millimetro quadrato di dispositivi di memorizzazione magnetici? Reti neurali fatte di singole molecole? Il lavoro svolto da un team guidato da Lukasz Laskowski del Dipartimento di Ingegneria Molecolare e Nanoelettronica dell'Istituto di Fisica Nucleare dell'Accademia delle Scienze polacca che si concentra sulla separazione delle singole particelle di magneti molecolari ci avvicina al raggiungimento di questi obiettivi.

Fino alla fine degli anni '80, prevaleva un'opinione ampiamente accettata che le proprietà ferromagnetiche siano associate alla struttura cristallina e possano essere correlate solo a materia cristallina opportunamente voluminosa. Però, nel 1991, un materiale fatto di Mn ₁₂ oh ₁₂ (OAc) ₁₆ (H ₂ o) ₄ molecole, noto anche come Mn ₁₂ -stearato, apparso, che contraddiceva questa credenza comune. Si è scoperto che al di sotto di una certa temperatura questo materiale mostra proprietà ferromagnetiche. Vale la pena sottolineare che queste proprietà magnetiche non derivano dalle proprietà della struttura cristallina, come nel caso dei ferromagnetici, ma dalle caratteristiche di una singola molecola. Ecco perché i materiali di questo tipo sono stati chiamati magneti a molecola singola (SMM).

Non è difficile immaginare l'applicazione di tali composti, per esempio in unità di memoria super-dense o elementi di reti neurali. Perciò, sembrerebbe che i magneti a singola molecola diventeranno rapidamente ampiamente utilizzati. Però, questo non è successo. Ciò è stato probabilmente causato da problemi con la loro separazione e l'ottenimento di un corretto sistema di singole molecole sufficientemente distanziate l'una dall'altra da impedire loro di influenzarsi a vicenda. Inoltre, dopo aver ottenuto un tale sistema, era necessario sviluppare un metodo per osservare molecole piccole come 2 nm.

Quindi, come sfruttare al meglio le proprietà dei magneti a singola molecola? Come disporre le singole particelle di tale materiale sul substrato in modo che non perdano le loro proprietà? Come verificare l'emergere di un tale sistema? È necessario utilizzare tecnologie sofisticate per questo scopo?

L'assunto di base del progetto era ottenere magneti a singola molecola separati su un substrato magneticamente neutro e osservare direttamente tali molecole senza l'uso di tecniche di laboratorio avanzate. La priorità era il successivo utilizzo delle procedure sviluppate per applicazioni commerciali. Dopo aver scelto le caratteristiche del materiale in termini di caratteristiche fisico-chimiche e meccaniche, e struttura molecolare, era necessario sviluppare una procedura di sintesi in modo tale che gli atomi si sarebbero disposti secondo le aspettative, creare il nanomateriale desiderato. Quindi, i ricercatori hanno dovuto scegliere un magnete a singola molecola, un substrato (matrice), il tipo di molecole di ancoraggio sulla superficie del substrato, il modo per controllare la loro distribuzione e la distanza tra loro, e metodi per l'osservazione diretta di tali molecole.

Nella fase di selezione dei possibili tipi di magneti a molecola singola, il Mn ₁₂ -stearato è stato riconosciuto come il più promettente. Questa particella ha un elevato spin dello stato fondamentale S =10 e, perciò, un forte momento magnetico. A causa di alcune modifiche, la forma solubile di Mn ₁₂ -è stato ottenuto lo stearato, che si è inoltre dimostrato più resistente agli urti atmosferici.

Quando si considera il tipo e la forma del mezzo utilizzato, gli scienziati hanno tenuto conto dell'aspetto dell'osservazione del materiale ottenuto. Conferma esplicita del successo sarebbe l'osservazione diretta di Mn ₁₂ -molecole stearate sulla superficie della matrice. Però, questo era difficile a causa della loro piccola dimensione di soli 2 nm circa. La soluzione si è rivelata l'applicazione di silice sferica. Magneti a singola molecola sono stati depositati su particelle di silice sferiche con un diametro di circa 300 nm. Con la forma sferica e le dimensioni relativamente ridotte di un tale substrato, potrebbero essere chiaramente osservati utilizzando la microscopia elettronica a trasmissione (TEM). In particolare, il team si è concentrato sull'osservazione dell'orizzonte stesso (periferia) di tale sfera e sul rilevamento dei magneti a singola molecola ancorati ad essa (Figg. 1 e 2).

La superficie della silice scelta come substrato per la deposizione di molecole magnetiche presenta numerosi gruppi ossidrilici, che possono poi essere modificati in unità di ancoraggio. Il metodo di ancoraggio delle molecole dipende dall'attaccamento dei gruppi butil-nitrile alle unità ossidriliche superficiali e quindi trasformati in gruppi propilcarbossilici mediante idrolisi. Queste, a sua volta, catturare e immobilizzare facilmente i singoli Mn ₁₂ -molecole di stearato. Il problema del controllo della distribuzione dell'ancora è stato superato, però, con l'ausilio di distanziali, che consente il monitoraggio della distribuzione delle unità di ancoraggio durante la sintesi.

I materiali sono stati sintetizzati nel laboratorio del Dipartimento di Ingegneria Molecolare e Nanoelettronica dell'Istituto di Fisica Nucleare dell'Accademia polacca delle scienze. Il lavoro sui materiali è in corso dal 2018. Le sostanze ottenute sono state testate per quanto riguarda le proprietà strutturali mediante microscopia TEM e spettroscopia vibrazionale. Le proprietà magnetiche sono state determinate utilizzando la magnetometria SQUID.

I risultati ottenuti dimostrano direttamente che il gruppo di ricerca è riuscito a posizionare singole particelle magnetiche sulla superficie della silice. La procedura è robusta, ripetibile, e semplice, può quindi essere utilizzato da unità scientifiche e industriali dotate di laboratori mediamente attrezzati. Oltretutto, è stato implementato un metodo molto semplice di osservazione diretta di minuscole molecole depositate su un substrato di silice:Mn ₁₂ -le molecole di stearato erano chiaramente visibili, specialmente vicino all'orizzonte della silice sferica usando la microscopia TEM. Nessuno ha mai applicato questa procedura prima. Un risultato di ricerca altrettanto importante si è dimostrato l'osservazione che i magneti a molecola singola mantengono le loro proprietà, anche quando separati l'uno dall'altro e incorporati nel supporto. Inoltre, è stato possibile determinare il modo di ancorare le molecole magnetiche in base alla concentrazione delle unità di ancoraggio.

I risultati ottenuti sono molto importanti e incoraggiano ulteriori lavori su questo tipo di materiale. Attualmente, il team sta lavorando per analizzare i risultati dettagliati delle misurazioni magnetiche per le sostanze qui descritte in funzione della concentrazione di Mn ₁₂ -molecole di stearato. Gli scienziati stanno anche studiando la durabilità dei nanocompositi fabbricati. Il prossimo passo sarà la regolarizzazione dei sistemi ottenuti. Attualmente, la distanza tra le molecole magnetiche è regolata statisticamente, ma alla fine, mn ₁₂ -I magneti monomolecola stearati devono essere disposti sul substrato in una configurazione esagonale regolare. Ciò sarà possibile con l'uso di silice mesoporosa con una struttura ordinata di canali sotto forma di film sottile e una precisa funzionalizzazione multistadio del substrato.