Teksti Kemia-lehti
Orgaanisiin radikaaleihin perustuvia magneettisia materiaaleja voi tulevaisuudessa hyödyntää esimerkiksi nanoelektroniikassa, selviää Anni Taposen väitöskirjasta.
Filosofian maisteri Anni Taponen tutki väitöskirjassaan kaksikomponenttisia radikaalisuoloja, joita voidaan hyödyntää uudenlaisten funktionaalisten molekulaaristen materiaalien valmistuksessa.
Radikaalisuolot perustuvat orgaanisiin radikaaleihin eli molekyyleihin, joilla on yksi tai useampi pariton elektroni. Orgaanisia radikaaleja pystytään käyttämään metallin kaltaisten sähköä johtavien tai magneettisten materiaalien rakennusosina.
Taponen keskittyi tutkimuksessaan 1,2,3,5-ditiadiatsolyyli- (DTDA) ja 1,2,3,5-diselenadiatsolyyliradikaaleihin (DSDA) sekä niiden N-alkyloituihin kationianalogeihin yhdistettynä 7,7´,8,8´-tetrasyanokinodimetaanista (TCNQ) muodostetun anioniradikaalin kanssa.
Magneettinen muisti-ilmiö esiin
Erityisen kiinnostuksen kohteena oli N-metyloidun-1,2,3,5-DTDA:n ja TCNQ:n muodostama suola, jolla havaittiin hystereettinen magneettinen bistabiilisuusilmiö. Siinä huoneenlämpötilan yläpuolella yksittäisenä esiintyvät TCNQ-radikaalit yhdistyvät lämpötilan laskiessa toisiinsa muodostamalla C–C-sidoksen.
Lämpötilan muutoksella aikaansaatuun kemiallisen sidoksen muodostumiseen ja avautumiseen liittyy systeemin magneettisen tilan muutos.
”Merkittävää on se, että kyseinen yhdiste ei reagoi lämpötilan muutokseen välittömästi vaan hieman viiveellä, minkä takia sidoksen katkeaminen lämmitettäessä tapahtuu korkeammassa lämpötilassa kuin sen muodostuminen jäähdytettäessä. Tätä ilmiötä kutsutaan hystereesiksi ja toisinaan myös magneettiseksi muisti-ilmiöksi, koska yhdiste ikään kuin muistaa sen, miten sitä on muokattu ulkoisten olosuhteiden muutosten kautta”, Taponen kertoo.
”Parhaimmassa tapauksessa yksittäinen molekyyli voisi toimia esimerkiksi informaation tallennuksen perusyksikkönä eli bittinä.”
Uutta tietoa käytännön sovelluksiin
Valmistettu yhdiste on erittäin mielenkiintoinen, sillä hystereesi-ilmiötä voidaan hyödyntää käytännön sovelluksissa.
”Tällaiset yhdisteet ovat kuin pieniä molekyylitason kytkimiä, joiden tilaa voidaan vaihtaa muuttamalla ulkoisia olosuhteita. Parhaimmassa tapauksessa yksittäinen molekyyli voisi toimia esimerkiksi informaation tallennuksen perusyksikkönä eli bittinä”, Anni Taponen kertoo.
Vaikka orgaanisiin radikaaleihin perustuvat magneettiset materiaalit eivät ole vielä päätyneet kaupallisiin sovelluksiin, on tieteenala kehittynyt nopeasti niihin liittyvien käytännön hyötyjen innoittamana.
”Molekyyleihin perustuvat magneettiset materiaalit ovat keveitä, liukoisia ja synteettisesti muokattavia, joten niitä voitaisiin käyttää aloilla, joihin perinteiset ja pääosin metallipohjaiset magneetit eivät sovellu. Yhtenä esimerkkinä potentiaalisesta sovellusalasta on nanokokoisten elektroniikan komponenttien valmistus.”
Pienet muutokset johtavat isoihin
Kokonaisuutena väitöskirjatutkimus tuotti runsaasti uutta tietoa, jota voidaan hyödyntää seuraavan sukupolven funktionaalisten molekulaaristen materiaalien suunnittelussa ja valmistamisessa.
Anni Taponen kartoitti tutkimuksessaan myös tarkemmin tekijöitä, jotka johtivat tutkitulla yhdisteellä havaittuun hystereesi-ilmiöön. Tutkimuksessa selvitettiin, mikä on yhdisteen N-alkyyliketjun pituuden, radikaalikationin (DTDA vs. DSDA), synteesissä käytetyn liuottimen ja vasta-anionin vaikutus valmistettujen suolojen kiinteän tilan rakenteisiin ja magneettisiin ominaisuuksiin.
”Valitettavasti millään toisella radikaalisuolalla ei kuitenkaan havaittu samanlaista hystereesi-ilmiötä. Tämä osoittaa, kuinka pienet muutokset olosuhteissa tai käytetyissä lähtöaineissa johtavat isoihin muutoksiin valmistetun suolan kiinteän tilan rakenteessa ja näin myös sen ominaisuuksissa.”
FM Anni Taposen väitöskirja ”Radical-Ion Salts based on Thiazyls and Tetracyanoquinodimethane: Hysteretic Magnetic Bistability in a Multicomponent System” tarkastettiin 24.3.2023. Vastaväittäjänä toimi professori Delia Haynes (Stellenbosch University, Etelä-Afrikka) ja kustoksena professori Heikki Tuononen Jyväskylän yliopistosta.
Lue lisää:
Anni Taposen väitöskirja: Radical-Ion Salts based on Thiazyls and Tetracyanoquinodimethane: Hysteretic Magnetic Bistability in a Multicomponent System
