Una collaborazione canadese-finlandese ha portato alla scoperta di un nuovo composto magnetico in cui due ioni metallici di disprosio magnetico sono collegati a ponte da due radicali organici aromatici che formano un legame pancake. I risultati di questo studio possono essere utilizzati per migliorare le proprietà magnetiche di composti simili. L'indagine teorica dello studio è stata condotta dall'Academy Research Fellow Jani O. Moilanen presso l'Università di Jyväskylä, mentre il lavoro sperimentale è stato svolto presso l'Università di Ottawa nei gruppi dei Proff. Muralee Murugesu e Jaclyn L. Brusso. I risultati della ricerca sono stati pubblicati sulla rinomata rivista di chimica: Frontiere della chimica inorganica nel luglio 2020, con l'art.

I magneti sono utilizzati in molti dispositivi elettronici moderni che vanno dai telefoni cellulari e computer ai dispositivi di imaging medico. Oltre ai tradizionali magneti a base di metallo, uno degli attuali interessi di ricerca nel campo del magnetismo è stato lo studio di magneti a singola molecola costituiti da ioni metallici e ligandi organici. Le proprietà magnetiche dei magneti a singola molecola sono di origine puramente molecolare, ed è stato proposto che in futuro, i magneti a singola molecola potrebbero essere utilizzati nell'archiviazione di informazioni ad alta densità, elettronica basata su spin (spintronica), e computer quantistici.

Sfortunatamente, la maggior parte dei magneti a molecola singola attualmente conosciuti esibisce le proprie proprietà magnetiche solo a basse temperature prossime allo zero assoluto (?273°c), che ne impedisce l'utilizzo in dispositivi elettronici. Il primo magnete a singola molecola che ha mantenuto la sua magnetizzazione sul punto di ebollizione dell'azoto liquido (?196 ° C) è stato segnalato nel 2018. Questo studio è stato un notevole passo avanti nel campo dei materiali magnetici poiché ha dimostrato che i magneti a singola molecola funzionano a si possono realizzare anche temperature più elevate.

Eccellenti proprietà magnetiche del composto riportato alle temperature elevate sono originate dalla struttura tridimensionale ottimale del composto. In teoria, principi di progettazione simili potrebbero essere utilizzati per magneti a molecola singola contenenti più di uno ione metallico, ma il controllo della struttura tridimensionale dei composti multinucleari è molto più impegnativo.

Nel nuovo composto sono stati utilizzati radicali organici a ponte

Invece di controllare completamente la struttura tridimensionale del composto riportato, in questo studio è stata utilizzata una strategia di progettazione diversa.

"Come gli ioni disprosio, i radicali organici hanno anche elettroni spaiati che possono interagire con elettroni spaiati di ioni metallici. Così, i radicali organici possono essere utilizzati per controllare le proprietà magnetiche di un sistema insieme agli ioni metallici. I radicali organici particolarmente interessanti sono quelli a ponte in quanto possono interagire con più ioni metallici. Abbiamo impiegato questa strategia di progettazione nel nostro studio, e sorprendentemente, abbiamo sintetizzato un composto in cui non solo uno ma due radicali organici hanno fatto da ponte tra due ioni disprosio e hanno formato un legame pancake attraverso i loro elettroni spaiati, Chiarisce il prof. Muralee Murugesu dell'Università di Ottawa.

"Anche se la formazione del legame pancake tra due radicali è ben nota, questa è stata la prima volta che è stato osservato il legame pancake tra due ioni metallici. L'interazione tra radicali organici viene spesso definita legame pancake perché la struttura tridimensionale dei radicali organici interagenti assomiglia a una pila di pancake, " Racconta il Prof. Jaclyn L. Brusso dell'Università di Ottawa.

Il legame del pancake nel nuovo composto era molto forte. Perciò, gli elettroni spaiati dei radicali organici non interagivano fortemente con gli elettroni spaiati degli ioni disprosio e il composto funzionava come un magnete a singola molecola solo a basse temperature. Però, lo studio apre la strada alla nuova strategia di progettazione di nuovi magneti multinucleari a singola molecola e ha avviato ulteriori ricerche.

"I metodi di chimica computazionale hanno fornito importanti informazioni sulla struttura elettronica e le proprietà magnetiche del composto che possono essere utilizzate in studi futuri. Scegliendo il giusto tipo di radicali organici possiamo non solo controllare la natura del legame pancake tra i radicali, ma anche migliorare le proprietà magnetiche del composto in generale, " Commenta Jani O. Moilanen dell'Academy Research Fellow dell'Università di Jyväskylä.