Неправильная молекула притягивает ученых к новым магнитам [ Редагувати ]

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

Американские доценты-химики, а именно Пол Вентольд из университета Purdue и Анна Крылов 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, проведенный посредством массовой спектрометрии, показал, что ее 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 все же мы его здесь вкратце приведем:

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 идет речь, носит незатейливое название 5-дегидро-м-ксилилен (5-dehydro-m-xylylene). Другие источники называют ее и вовсе 5-дегидро-1,3-квинодиметан (5-dehydro-1,3-quinodimethane). К счастью, есть для нее и аббревиатура - DMX.

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 трех 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 своем 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 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 дешевого материла, сам процесс их изготовления был бы легким и менее затратным. Очевидно, что такие магниты, в конечном счете, сэкономили бы деньги".

Вентольд и Крылов, в свою очередь, подчеркивают, что до такой экономии еще далековато: "Мы все еще 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, обращенных 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 все в теории, и неметаллические магниты маячат где-то в долгосрочной перспективе?

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

В-третьих, стоит отметить, что о первом органическом магните, точнее - о молекулярном ферромагнетизме, американцы Джоэль Миллер  и Артур Эпштейн  рапортуют еще 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.