Ein harter Einzelmolekül-Magnet

Magnete, die nur aus einem einzigen Molekül bestehen, sind besonders für die Speicher­elektronik interessant. Wissen­schaftler aus Kanada und Finn­land haben jetzt ein neues molekulares System entworfen, das sich durch eine besondere magnetischer Härte auszeichnet. Metalle aus der Reihe der seltenen Erden und eine unge­wöhn­liche stickstoff­haltige mole­kulare Brücke sind die Zutaten für diesen Einzel­molekül-Magneten.

Ein Bit auf jedem Molekül könnte die Infor­ma­tions­dichte in Computern um das Viel­tausend­fache steigern. Ob ein Molekül zum magne­tischen Speicher werden kann, hängt von der Magneti­sier­bar­keit der Elektronen und dem Wider­stand gegen Ent­magne­ti­sierung, die magne­tische Härte, ab. Physiker und Chemiker konstruieren solche mole­ku­laren Magnete aus Metall­ionen, die über mole­ku­lare Brücken magnetisch mit­ein­ander koppeln.

Koppelnde Brücken müssen aller­dings verschiedene Voraus­setzungen erfüllen. Eine radika­lische Distick­stoff­brücke – zwei Stick­stoff­atome mit zusätz­lichem Elektron, was den Distick­stoff zum Radikal macht – brachte zwar für Metall­ionen aus der Reihe der seltenen Erden hervor­ragende Ergebnisse, aber sie sei schwierig zu kontrol­lieren und biete keinen Raum für Modifi­ka­tionen, berichten Muralee Murugesu von der Univer­sität Ottawa in Kanada und sein Team. Um mehr Gestaltungs­freiheit zu haben, vergrößerten sie die Brücke durch einen „doppelten Distick­stoff“. Der hierfür noch unerforschte Tetrazin-Ligand enthält vier, anstelle von zwei Stick­stoff­atomen.

Für die Synthese des mole­ku­laren Magneten brachten sie den neuen Tetrazin-Liganden mit Ionen von Selten­erd­metallen – Dysprosium und Gadolinium – zusammen und versetzten die Lösung mit einem starken Reduktions­mittel, um die radika­lischen Tetrazin-Brücken zu formen. Sie gewannen den neuen Magneten in Form von dunkel­roten prisma­tischen Kristallen.

Die molekulare Einheit in diesem Kristall beschreiben die Forscher als einen vier­kernigen Komplex, bei dem vier liganden­gestützte Metall­ionen über vier Tetrazinyl­radikalen mit­ein­ander verbrückt waren. Seine wichtigste Eigen­schaft war jedoch seine außer­ge­wöhnliche magnetische Härte oder Koerzi­ti­vität – das heißt, der Komplex bildete einen beständigen Einzel­molekül­magneten, der besonders schwer zu entmagne­ti­sieren war.

Diese hohe Koerzivität wird durch die gute Kopplung über die radika­lische Tetrazin-Einheit ermöglicht, so die Wissen­schaftler. Die vier Metall­zentren koppelten mit­ein­ander zu einer mole­ku­laren Einheit mit Riesen-Spin. Nur bei dem Vorgänger­modell mit der Distick­stoff­brücke sei diese Kopplung noch aus­ge­prägter. Aller­dings sei die Brücke über das Tetrazin-Radikal viel­seitiger und das Molekül insgesamt stabiler. Auch andere mehr­kernige Komplexe könnten auf diese Art mit Riesen-Spin aufgebaut werden, betonen die Forscher. Das biete viel mehr Möglich­keiten, um leistungs­fähige Einzel­molekül­magnete zu entwickeln.

Wiley-VCH / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  N. Mavragani et al.: Radical-Bridged Ln4 Metallocene Complexes with Strong Magnetic Coupling and a Large Coercive Field, Ang. Ch., 24. August 2021; DOI: 10.1002/ange.202110813
• Inorganic Materials for Transformative Devices (M. Murugesu), Dept. of Chemistry and Biomolecular Sciences, University of Ottawa