Неправильная молекула притягивает учёных к новым магнитам

Словосочетание "неметаллический магнит" звучит почти так же, как "стеклянный молоток". Однако о шагах учёных навстречу этим притягательным во всех смыслах материалам регулярно что-нибудь, да сообщается. Всё потому, что лёгкие и дешёвые магниты человеку очень нужны. И вот свежая новость.

Американские доценты-химики, а именно Пол Вентольд (Paul Wenthold из университета Purdue и Анна Крылов (Anna Krylov) из университета Южной Калифорнии (USC) впервые обнаружили органическую молекулу, дальнейшее изучение которой может привести к созданию неметаллических магнитов.

 

 

Это — радикальная молекула. "Радикалы", которые содержат неспаренные электроны, считаются более реактивными, чем обычные молекулы. Они прославились, прежде всего, благодаря так называемым "свободным радикалам", которые, находясь в кровеносной системе человека, могут повредить здоровые клетки. Но наш "герой" в организме людей не встречается.

Так вот, анализ радикальной молекулы углеводорода, проведённый посредством массовой спектрометрии, показал, что её электроны ведут себя вопреки известным принципам, а именно — правилу Хунда (Hund's rule). Тем, кто профессиональным химиком не является, осмыслить это правило будет нелегко. Но всё же мы его здесь вкратце приведём:

При распределении электронов по орбиталям в пределах одного подуровня сумма спиновых чисел электронов должна быть максимальной. Орбитали сначала заполняются по одному электронами с параллельными спинами, а потом электронами с противоположными спинами.

Немного сложновато, да. Дальше немного проще. Молекула, о которой идёт речь, носит незатейливое название 5-дегидро-м-ксилилен (5-dehydro-m-xylylene). Другие источники называют её и вовсе 5-дегидро-1,3-квинодиметан (5-dehydro-1,3-quinodimethane). К счастью, есть для неё и аббревиатура — DMX.

Полу Вентольду и Анне Крылов предстоит ещё долго исследовать открытую ими молекулу.

И, значит, DMX примечательна тем, что имеет в основании три неспаренных электрона (хотя таким свойством обладают и другие молекулы), тем, что в ней напрочь отсутствует металл, а также тем, что один из трёх электронов "смотрит" в противоположном направлении по сравнению с остальными.

Вот то, как электроны устраиваются вокруг ядер в атомах молекулы, и вся комбинация этих, с позволения сказать, параметров делает DMX уникальной в своём роде.

Доцент Вентольд говорит, это "исключение из правил", удивительная структура необычной молекулы, может помочь химикам понять, где искать другие "аномалии".

А однофамилица баснописца Анна сказала буквально следующее: "Люди уже давно пробуют делать магниты из отличных от металлов материалов, типа полимеров. А поскольку магнетизм связан с поведением неспаренных электронов, наша молекула могла бы использоваться, как стандартный блок для строительства таких полимеров, и привести, тем самым, к созданию молекулярных неметаллических магнитов".

Работу доцентов финансировал американский Национальный фонд науки (NSF). Директор химических программ этого фонда Тирон Митчелл (Tyrone Mitchell) много знает о преимуществах неметаллических магнитов:

"Если мы сможем найти способ намагнитить, например, углеводороды, то они весили бы меньше, чем привычные магниты. Это сделало бы их привлекательными для космонавтики и других коммерческих областей применения, в которых вес крайне важен.

А так как неметаллические магниты делались бы из более дешёвого материла, сам процесс их изготовления был бы лёгким и менее затратным. Очевидно, что такие магниты, в конечном счёте, сэкономили бы деньги".

Вентольд и Крылов, в свою очередь, подчёркивают, что до такой экономии ещё далековато: "Мы всё ещё многого не знаем о молекулах этого типа. У нас длинный список шагов, которые предстоит сделать, вроде сравнения свойств этой молекулы с теми, которые не имеют неспаренных электронов, обращённых в различных направлениях. Но обнаруженные нами уникальные свойства сами по себе представляют большой интерес".

Как же так? Для чего же нужно было огород городить? Зачем было морочить голову читателю реактивными радикалами, правилом Хунда и 5-дегидро-1,3-квинодиметаном, если всё в теории, и неметаллические магниты маячат где-то в долгосрочной перспективе?

Пол Вентольд и Тамара Мюнш (Tamara Munsch — она-то тут причём?) показывают на папках, чем отличаются разнонаправленные электроны — правая стопка (фото news.uns.purdue.edu).

Гм. Во-первых, открытие американских доцентов напомнило о такой замечательной и несуществующей штуке, как неметаллические магниты. Во-вторых, их достижение даёт понять, что кое-какие успехи на этом поприще у учёных бывают.

В-третьих, стоит отметить, что о первом органическом магните, точнее — о молекулярном ферромагнетизме, американцы Джоэль Миллер (Joel S. Miller) и Артур Эпштейн (A. J. Epstein) рапортуют ещё с конца 1980-х. Потом уже в начале 1990-х о подобном достижении сообщили японцы, затем французы и так далее.

Но все эти магниты работали при каких-то сумасшедших условиях, например, при температуре, близкой к абсолютному нулю. Мало кому по душе пришлась такая альтернатива привычным магнитам. А вот Вентольд и Крылов могут построить из своих молекул-блоков кое-что действительно притягательное. Теоретически, конечно.

Статья получена: Membrana.ru