Magnet aus Schaufelrädern und Säulen

  • 08. December 2014

Molekulare magnetische Schichten und Ketten vereinigen sich zu dreidimensionalem magnetischem Gerüst.

Magnete müssen nicht zwangsläufig aus Metallen oder Metalloxiden bestehen, die Forschung beschäftigt sich aktuell mit  molekularen Magneten aus organischen Bausteinen und Metallionen oder rein organischen Verbindungen. Japanische Forscher haben jetzt ein dreidimensionales magnetisches Gerüst vorgestellt, das sie aus einem molekularen Schichtmagneten und einem säulenartigen magnetischen System aufgebaut haben.

Magnet aus Schaufelrädern und Säulen - Magnetische Schichten und Ketten vereinigen sich zu dreidimensionalem magnetischem Gerüst (Bild: Miyasaka et al. / Wiley-VCH)

Abb.: Magnet aus Schaufelrädern und Säulen - Magnetische Schichten und Ketten vereinigen sich zu dreidimensionalem magnetischem Gerüst (Bild: Miyasaka et al. / Wiley-VCH)

Der Vorteil molekularer Magneten ist, dass sie keine metallischen, sondern kunststoffartige Eigenschaften zeigen. Forscher hoffen auf eine Materialklasse mit maßgeschneiderten optischen, elektrischen, mechanischen, bioverträglichen und weiteren Eigenschaftskombinationen für Einsatzgebiete, für die konventionelle Magnete nicht geeignet sind. Elektronische Komponenten, wie neuartige Speichermedien, Diagnostik und Medizintechnik zählen zu den potenziellen Anwendungsgebieten. Die Forschung steckt allerdings noch in den Kinderschuhen. Eines der praktischen Probleme ist, dass die meisten molekularen Magnete bisher nur bei extrem tiefen Temperaturen funktionieren.

Damit ein Material magnetisch wird, ist eine makroskopisch geordnete Ausrichtung der enthaltenen Elementarmagnete nötig, die auf ungepaarten Elektronenspins beruhen. In einem Molekülverbund sind diese aber zu weit voneinander entfernt, um direkt wechselwirken zu können. Bestimmte Konstellationen chemischer Bindungen können die magnetischen Wechselwirkungen jedoch weiterleiten. In Systemem, die aus verschiedenen magnetischen Bausteinen aufgebaut sein sollen, ist es allerdings nicht leicht, die magnetischen Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Ketten oder Lagen zu kontrollieren.

Hiroki Fukunaga und Hitoshi Miyasaka von der Tohoku University ist es jetzt gelungen, eine dreidimensionale Struktur mit magnetischer Fernordnung herzustellen, indem sie einen zweidimensionalen Schichtmagneten und ein eindimensionales, säulenartiges magnetisches System kombinierten. In der erhaltenen säulenverknüpften Schichtstruktur sorgen die Säulen für Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Schichten, die eine spontane Magnetisierung ermöglichen.

Die magnetische Schicht besteht aus einem schaufelradförmigen Komplex mit einer Achse aus zwei Rutheniumionen, an die vier flache organische „Schaufeln“ gebunden sind. Die „Schaufelräder“ werden über einen flachen organischen Halbleiter (Tetracyanochinodimethan, TCNQ) zu durchgehenden Schichten verknüpft. „Säulen“ verbinden die Schichten zu einem dreidimensionalen Gitter. Die Säulen bestehen aus zwei flachen Molekülen, zwischen denen sich ein Eisen-Ion befindet. Zwischen den einzelnen Bausteinen kommt es zur Übertragung von Ladungen und anderen elektronischen Wechselwirkungen. Sie sind die Voraussetzung für die magnetische Fernordnung innerhalb des Gerüsts.

Unterhalb von -191 °C (unter Druck -166 °C) ist das Material magnetisch. Das hört sich zwar ziemlich kalt an, ist für molekülbasierte Magneten jedoch ein recht hoher Wert, der die Forscher zuversichtlich stimmt.

Wiley-VCH / OD

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