Einem Forschungsteam der Kumamoto-Universität ist es gelungen, einen neuen Ansatz zur Herstellung schaltbarer magnetischer Materialien durch Nutzung von Wasserstoffbrückenbindungen auf molekularer Ebene zu entwickeln. Ihre Studie zeigt, wie bestimmte Metallkomplexe, die zuvor nicht auf äußere Reize reagierten, nun durch die Einführung chiraler Wasserstoffbrücken scharfe und vollständige magnetische Übergänge zeigen können.
Das Forschungsteam unter der Leitung von außerordentlichem Professor Yoshihiro Sekine von der Priority Organization for Innovation and Excellence (POIE) konzentrierte sich auf die Schaffung schaltbarer molekularer Anordnungen aus Kobalt- (Co²⁺) und Eisenionen (Fe³⁺), die ursprünglich normalerweise nicht auf äußere Einflüsse reagieren Reize. Die Studie ist veröffentlicht im Zeitschrift der American Chemical Society.
Die Innovation des Teams besteht darin, Wasserstoffbrücken über eine chirale Carbonsäure einzubauen, wodurch die Moleküle mit bemerkenswerter Präzision zwischen magnetischen Zuständen (paramagnetisch und diamagnetisch) wechseln können. Diese als „Molekular-Preußisch-Blau-Analoga“ bezeichneten Baugruppen versprechen einen kontrollierten Elektronentransfer zwischen Kobalt- und Eisenionen – etwas, das in herkömmlichen Materialien unerreichbar war.
Das andere wichtige Ergebnis der Studie ist die Rolle der molekularen Chiralität bei der Leistung dieser Anordnungen. Enantiomerenreine Wasserstoffbrückendonormoleküle (HBD) ermöglichten scharfe, vollständige magnetische Übergänge, während racemische Mischungen zu ungeordneten Strukturen mit breiten, unvollständigen Übergängen führten. Dies unterstreicht die Bedeutung einer präzisen molekularen Anordnung bei der Entwicklung funktioneller Materialien mit vorhersagbarem Verhalten.
„Die chiralen Wasserstoffbrückenbindungseinheiten sind entscheidend für das Erreichen der kooperativen und abrupten Phasenübergänge, die wir beobachtet haben“, sagte außerordentlicher Professor Sekine. „Dies eröffnet neue Möglichkeiten für die Gestaltung schaltbarer Materialien auf molekularer Ebene.“
Diese Erkenntnisse könnten zur Entwicklung fortschrittlicher Materialien für magnetische Speichergeräte, Sensoren und andere elektronische Anwendungen führen. Die Studie zeigt, wie subtile Veränderungen in der Molekülstruktur zu dramatischen Unterschieden im Materialverhalten führen können und einen neuen Weg für die Entwicklung funktioneller molekularer Maschinen und intelligenter Materialien eröffnen.
Weitere Informationen:
Riku Fukushima et al., Zusammenbau der kleinsten Preußischblau-Analoga unter Verwendung einer chiralen Wasserstoffbrückenbindungseinheit für den vollständigen Phasenübergang, Zeitschrift der American Chemical Society (2024). DOI: 10.1021/jacs.4c05065