Uudenlaiset molekyylimagneetit ovat keveitä ja toimivat myös korkeissa lämpötiloissa – löydöt voivat johtaa uusiin sovelluksiin
Magneetteja käytetään laajalti monissa arkipäiväisissä esineissä lasten leluista kodinkoneisiin ja muihin sähkölaitteisiin. Myös monet yhteiskunnan keskeisistä toiminnoista kuten energiantuotanto ja -siirto sekä tieto- ja viestintätekniikka hyödyntävät magneettisia materiaaleja.
Viime vuosina magneettien käyttö teollisuudessa on lisääntynyt merkittävästi muun muassa sähköautojen yleistyessä. Epäorgaanisten magneettien maalimanmarkkinat olivat 19,5 miljardia USD vuonna 2019 ja niiden on ennustettu nousevan 27,5 miljardiin USD vuonna 2025 (www.imarcgroup.com).
Kemistien haaveena on jo pitkään ollut löytää uusia korkeissa lämpötilassa toimivia magneettisia materiaaleja, jotka koostuisivat metallien ja niiden seosten sijasta molekulaarisista rakennusosista.
Nyt julkaisussa tutkimuksessa tämä tavoite saavutettiin orgaanisista radikaaleista (molekyyli, jolla on pariton elektroni) ja paramagneettisista (parittomia elektroneja sisältävistä) metalli-ioneista koostuvien koordinaatioverkkojen avulla.
Valmistetut magneettiset materiaalit ovat pienitiheyksisiä (noin 1.2 g cm–3), toimivat korkeissa lämpötiloissa (jopa 242 °C) ja ovat magneettisesti kovia (koersiivisuus jopa 7500 Oe) eli pystyvät hyvin säilyttämään magneettisuutensa ilman ulkoista magneettikenttää.
Loistavien fysikaalisten ominaisuutensa lisäksi uudenlaisten molekyylimagneettien valmistus on varsin suoraviivaista ja samaa lähestymistapaa voidaan hyödyntää uusien vastaavanlaisten yhdisteiden valmistamiseksi. Magneettien huonona puolena on niiden alhainen kiteisyys sekä reaktiivisuus ilmassakin olevien happi- ja vesimolekyylien kanssa.
Magneettiset materiaalit voivat soveltua magnetoelektroniikkaan, magneettisiin sensoreihin ja tiedon tallennukseen
Tutkimuksessa raportoitujen molekyylimagneettien ominaisuuksien kartoittamiseen tarvittiin laajaa kansainvälistä yhteistyötä. Työssä hyödynnettiin muun muassa yhteiseurooppalaisen synkrotronisäteilytutkimuslaitoksen (European Synchrotron Research Facility, ESRF) BM01 ja ID12 sädelinjoja yhdisteiden rakenteiden ja magneettisten ominaisuuksien karakterisointiin.
Jyväskylän yliopistossa kemian laitoksella akatemiatutkija Aaron Mailmanin vastuulla oli yhdisteiden analyyttisen koostumuksen ja spektroskooppisten ominaisuuksien selvittäminen.
”Työssä käytetty valmistusmenetelmä on hyvin yleinen ja sitä voidaan hyödyntää muihin vastaavanlaisiin yhdisteisiin. Vaikka jo nyt saadut tulokset rikkovat kirkkaasti aiempia ennätyksiä molekyylimagneettien ominaisuuksissa, uskon, että pystymme jatkossa vieläkin parempaan. Tähtäimessä on materiaalit, jotka soveltuvat käytännön sovelluksiin”, sanoo Mailman.
Näkemyksen jakaa myös tutkimuksen koordinoinnista vastannut tutkija Rodolphe Clérac.
”Rehellisyyden nimissä on sanottava, että en ole aiemmin ajatellut tutkimustulosteni hyödynnettävyyttä sovelluksissa, sillä tutkimusryhmäni tekee perustutkimusta. Minusta on kuitenkin nähtävissä, että tämäntyyppiset materiaalit voivat tulevaisuudessa soveltua magnetoelektroniikkaan, magneettisiin sensoreihin ja tiedon tallennukseen erityisesti keveissä ja pienissä laitteissa kuten älypuhelimissa ja satelliiteissa.”
Linkki julkaistuun artikkeliin Science-lehdessä (30. 10.2020)
Lisätietoa:
Akatemiatutkija Aaron Mailman, aaron.m.mailman@jyu.fi (englanniksi)
Viestinnän asiantuntija Tanja Heikkinen, tanja.s.heikkinen@jyu.fi, +358 50 472 1162
Matemaattis-luonnontieteellinen tiedekunta
https://www.jyu.fi/science/fi
jyuscience jyuscience jyuscience
