Коллектив российских ученых синтезировал инновационный материал, сочетающий медь с органической молекулой спиропирана. Этот комплекс обладает двойными уникальными свойствами: он изменяет свои характеристики под воздействием света и проявляет себя как молекулярный магнит при температурах, близких к абсолютному нулю (от –273 °C до –267 °C). В таких экстремальных условиях соединение способно сохранять намагниченность даже после отключения внешнего магнитного поля в течение определенного времени. Это открывает широкие перспективы для его применения в разработке передовых оптических сенсоров и светоуправляемых электронных устройств. Результаты данного исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), были опубликованы в престижном журнале Dalton Transactions.
Современная электроника испытывает растущую потребность в материалах, чьи ключевые свойства, такие как магнитные и оптические, могут быть быстро и точно изменены. Особый интерес представляют фотохромные спиропираны – органические соединения, способные менять свою молекулярную структуру и оптические характеристики под влиянием светового излучения. Например, в отсутствие ультрафиолета или под действием видимого света эти молекулы прозрачны, но при облучении УФ-светом (например, длиной волны 366 нанометров) они приобретают насыщенный темно-фиолетовый оттенок. Эти трансформации обусловлены изменением молекулярной геометрии: в первом случае молекулярные фрагменты находятся в замкнутом (бесцветном) состоянии, а во втором — молекула «раскрывается», образуя удлиненную цветную цепочку. Интеграция ионов металлов в молекулы спиропиранов может придать им магнитные свойства, что сделает их ценными для создания электронных устройств, управляемых светом, таких как сенсоры и элементы памяти. Однако подобные металлосодержащие комплексы пока крайне малочисленны, что стимулирует ученых к поиску новых, более перспективных соединений.
Исследователи из Федерального исследовательского центра проблем химической физики и медицинской химии РАН (Черноголовка), совместно с коллегами, успешно синтезировали комплекс, где ион меди связан с молекулой спиропирана. Процесс синтеза включал смешивание медьсодержащего соединения со спиропираном в органическом растворителе. Полученная смесь перемешивалась в течение суток, после чего к ней был добавлен гексан, что привело к образованию кристаллов целевого соединения на стенках пробирки.
Анализ магнитных характеристик полученных кристаллов проводился в широком температурном диапазоне — от –272,5 °C до +27 °C. Образцы помещались во внешнее магнитное поле, а также подвергались воздействию переменного магнитного поля с различными частотами. Было обнаружено, что при температурах от –271 °C до –267 °C исследуемый комплекс демонстрировал медленную магнитную релаксацию: он сохранял намагниченность в течение нескольких миллисесекунд после отключения внешнего магнитного поля. Это свидетельствует о его поведении как мономолекулярного магнита в указанном температурном интервале. Такое уникальное проявление магнитных свойств для медьсодержащего комплекса стало неожиданностью, что объясняется созданием особой конфигурации окружения атома меди. В большинстве случаев комплексы меди не проявляют подобных магнитных свойств в столь широком температурном диапазоне.
Важно отметить, что синтезированный комплекс сохранил свою чувствительность к свету, характерную для спиропиранов, что открывает возможность использования света для эффективного управления его магнитными свойствами.
Дмитрий Конарев, руководитель проекта и доктор химических наук из ФИЦ ПХФ и МХ РАН, отметил, что подобные материалы являются ключевыми для создания устройств хранения информации со сверхвысокой плотностью, управляемых светом. Он подчеркнул, что свет обеспечивает более быструю передачу сигналов по сравнению с электрическим током, что может значительно ускорить обработку данных. Максим Фараонов, ведущий научный сотрудник той же лаборатории, добавил, что ранее уже были синтезированы светоуправляемые магнитные соединения на основе спиропиранов с диспрозием и тербием. Новый комплекс с медью представляет собой более доступную и экономичную альтернативу. Кроме того, для меди характерна квантовая когеренция — эффект, при котором атомы остаются взаимосвязанными даже на значительных расстояниях, что делает медьсодержащие комплексы перспективными для квантовых технологий. В ближайшем будущем ученые планируют исследовать возможность «переключения» синтезированного комплекса между его «открытой» и «закрытой» формами в твердом состоянии, чтобы изучить влияние этого процесса на магнитные характеристики иона меди.
В работе над проектом также принимали участие специалисты из Института общей и неорганической химии им. Н. С. Курнакова РАН (Москва), Международного томографического центра СО РАН (Новосибирск) и Киотского университета (Япония).
