Синтетический аналог пигмента крови поможет создавать устройства для хранения больших объемов данных

Ученые впервые получили магнитно-активное соединение на основе синтетического аналога пигмента, входящего в состав гемоглобина крови, и иона металла диспрозия. Благодаря тому, что это соединение в миллиарды раз меньше магнитов, используемых в современной технике, на его основе можно будет создавать миниатюрные устройства для записи и хранения информации, молекулярные датчики и сенсоры. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале CCS Chemistry.

Современные компьютерные процессоры на основе микросхем практически достигли пределов мощности. Это объясняется тем, что для хранения и обработки информации в них служат транзисторы — элементы, которые генерируют, усиливают и преобразуют электрический ток. Объем информации, который может хранить и обрабатывать устройство, определяется тем, сколько в нем размещается транзисторов, — например, в современном компьютере их более 16 миллиардов. Каждые два года количество транзисторов в устройстве увеличивается вдвое, поэтому, чем большая требуется память и скорость работы, тем более габаритным получается устройство. Чтобы уменьшить размеры электроники, в последние десятилетия ученые развивают технологию, позволяющую хранить информацию с помощью не электрических зарядов, передаваемых между транзисторами, а магнитных моментов электронов — по сути, очень маленького (на уровне отдельных атомов) магнитного поля. Эта технология помогает управлять зарядами с помощью переключения магнитного поля, что в будущем позволит сделать электронные устройства миниатюрнее и при этом увеличить их производительность и скорость обработки информации. Все потому, что в качестве магнитов, создающих магнитное поле, можно использовать отдельные молекулы, например соединения металлов с органическими остатками (лигандами). Такие соединения позволяют «переключать» свою намагниченность внешним магнитным полем.

Одно из перспективных веществ, на основе которого можно создать «молекулярный магнит», — порфирин. Это органический пигмент в виде четырех колец, который входит в состав гемоглобина крови и участвует в переносе кислорода благодаря тому, что соединяется с ионом железа. Однако между кольцами порфирина можно разместить не только ион железа, но и другие металлы, что позволит изменять его магнитное состояние.

Ученые из Федерального исследовательского центра проблем химической физики и медицинской химии РАН (Черноголовка) с коллегами создали магнитно-активное соединение на основе гемигексафиразина — синтетического аналога порфирина. Это соединение имеет больший размер, чем природный порфирин, что потенциально удобно для получения проводящих соединений на его основе. Кроме того, он может занимать несколько положений в координационной сфере атома металла, а также вмещать в центральную полость несколько металлов. Все это позволяет варьировать и подстраивать магнитные свойства молекулы в широком диапазоне. Авторы ввели в структуру этой молекулы редко встречающийся в земной коре серебристый металл диспрозий, способный создавать магнитное поле при температурах от 27°С до 1627°С. Благодаря этому свойству его используют в электронике для создания устройств хранения данных: жестких дисков и флеш-накопителей.

В результате авторы синтезировали вещество, в состав которого входят кольца гемигексафиразина (лиганда) с ионом диспрозия. Затем исследователи получили кристаллы этого соединения. Анализ структуры полученных веществ показал, что каждое кольцо лиганда не могло «вместить» в себя больше одного атома диспрозия, и это позволило избежать лишних магнитных связей.

Благодаря способности намагничиваться в широком диапазоне температур подобные соединения могут использоваться для создания новых устройств записи и хранения больших объемов информации, молекулярных датчиков и сенсоров. Так, записывать информацию можно будет, намагничивая ионы диспрозия в молекуле. При этом, поскольку собственные моменты вращения электронов атомов диспрозия выравниваются вдоль линии магнитного поля, материал сохранит свою намагниченность и после его отключения, что обеспечит сохранение данных.

Кроме того, на примере комплекса гемигексафиразина с диспрозием исследователи получили более детальное представление о том, как взаимодействуют органические лиганды с ионами металлов, что поможет разрабатывать новые магнитные материалы.

«Ранее наши коллеги синтезировали соединение на основе аналога порфирина и одного атома диспрозия на поверхности золота. В этой работе мы показали, что синтез молекул с диспрозием в растворе тоже приводит к комплексу с одним атомом металла. Выявленная нами закономерность дает толчок к развитию магнитных материалов. Мы планируем продолжить эту работу и развивать предложенный подход, в частности "собрать" и исследовать соединения, содержащие другие металлы. Это позволит менять их намагниченность, например, с помощью изменения температуры», — рассказывает участник проекта, поддержанного грантом РНФ, Максим Фараонов, кандидат химических наук, ведущий научный сотрудник лаборатории перспективных полифункциональных материалов Федерального исследовательского центра проблем химической физики и медицинской химии РАН.

В исследовании принимали участие сотрудники Института физики твердого тела РАН (Черноголовка), Ивановского государственного химико-технологического университета, Института химии растворов им. Г.А. Крестова РАН (Иваново), Института перспективных исследований в области химических наук (Испания).