Molekulare Nanomagnete

Struktur eines Mn₁₂-Nanomagnetes

Molekulare Nanomagnete, im Englischen als Single-molecule magnets (SMM) bezeichnet, sind chemische Verbindungen aus Metallen und organischen Liganden, die bei sehr tiefen Temperaturen auf molekularer Ebene ein superparamagnetisches Verhalten zeigen.

Ein Molekularer Nanomagnet ist Molekül, das die langsame magnetische Relaxation zeigt. Das heißt, dass diese Moleküle in einem Magnetfeld magnetisiert werden können und diese Magnetisierung nach Abschalten des Feldes beibehalten. Diese Moleküle zeigen diese rein molekülbasierte magnetische Hysterese, die im Unterschied zu normalen Magneten nicht auf intermolekularen Ordnungseffekten beruht. Somit kann man Stoffe mit diesen Eigenschaften auf molekularer Basis in andere Stoffe, zum Beispiel Kunststoffe, einbetten und dieser Effekt bleibt erhalten^[1].

Die molekulare Nanomagnete sind komplexe Moleküle bestehend aus mehreren magnetischen Metall–Ionen, die mit organischen Verbindungen Cluster bilden. Es wurden Moleküle mit bis zu 82 Metallionen erzeugt, die typische Größe liegt bei sechs bis 30 magnetisch aktiven Atomen. Die typischen beteiligten Metalle sind Chrom, Eisen, Mangan, Nickel und Kupfer.

Der typische Aufbau ist, das die magnetisch aktiven paramagnetischen Metallionen eines solchen Moleküls im Inneren durch einfache Brückenbindungen wie O^2-, OH^-, Cl^- gebunden sind und nach außen durch die organischen Liganden von der Umgebung abgeschirmt werden.

Die Stoffgruppe ist interessant, weil es sich um echte Nanomaterialien mit einer Größe von einigen Nanometern handelt und sich Effekte wie z.B. der Magnetismus, sich einerseits streng quantenmechanisch, andererseits nach den Gesetzen der klassischen Physik verhalten. Das heißt, diese Moleküle bewegen sich im Grenzbereich dieser beiden Gebiete der Physik.

Blocking Temperatur

Die Messungen finden bei sehr tiefen Temperaturen statt. Interessant ist in diesem Zusammenhang die sogenannte Blocking Temperatur, unterhalb dieser der Effekt der Relaxation langsam gegenüber der Untersuchungsmethode^[2]wird. Beispielsweise zeigt ein Molekül, welches bei 2 K magnetisiert wurde, nach 60 Tagen noch 40 % der Magnetisierung. Wird die Temperatur auf 1,5 K abgesenkt, so würde der gleiche Wert erst nach 40 Jahren erreicht.^[2].

Geschichte

Die Forschungen über diese Stoffe sind ein Teilbereich der Nanophysik. Der zugrunde liegende Effekt der langsamen magnetischen Relaxation wird seit 1933, als dieser Effekt am Mn₁₂ erstmals beobachtet wurde, untersucht. Der Begriff "single-molecule magnet" wurde durch David Hendrickson, einem Chemiker der University of California, San Diego und George Christou (Indiana University) in Jahre 1996 geprägt ^[3]. Die ersten Berichte stammen aus dem Jahr 1991 von europäischen Forschern als sie den Effekt am Mn₁₂O₁₂(MeCO₂)₁₆(H₂O)₄ Komplex (Mn12Ac16), welches 1980^[4] zum ersten Mal synthetisiert wurde, beobachteten.

Anwendungen

Als potenzielle Anwendungen sind im Bereich der Quantencomputer und der nanoskopischen Informationsspeicher vorstellbar. Im Bereich der Speichertechnolgien sind diese Materialien sehr interessant, da man sich ein solches Molekül als ein Bit vorstellen kann und somit extrem hohe Datendichten realisierbar wären. Es wären Datendichten von bis zu 100 Tbit/in² (150 Gbit/mm²) erreichbar, was drei bis vier Größenordnungen über dem derzeit Möglichen liegt.^[5]

Weblinks

• Molekulare Magnete, Universität Stuttgart
• European Institute of Molecular Magnetism EIMM
• MAGMANet Molecular Approach to Nanomagnets and Multifunctional Materials

Quellen

1. ↑ Introduction to Molecular Magnetism von Dr. Joris van Slageren
2. ↑ ^{a b} Dante Gatteschi, Roberta Sessoli und Andrea Cornia: Single-molecule magnets based on iron(III) oxo clusters. In: Chem. Commun., 2000, S. 725–732. doi:10.1039/a908254i
3. ↑ J. Am. Chem. Soc. 1996, 118, 7746-7754
4. ↑ T. Lis, Acta Crystallogr. B 1980, 36, 2042
5. ↑ Allgemeine Einführung in den molekularen Magnetismus. Universität Stuttgart

Literatur

Dante Gatteschi, Roberta Sessoli, Jacques Villain: Molecular Nanomagnets. In: Mesoscopic Physics and Nanotechnology Bd. 5, Oxford University Press, 2006, ISBN 9780198567530