Joanna Kosmalska
Fot. Stefan Ciechan
W jednym milimetrze kwadratowym nośnika magnetycznego nawet sto milionów bitów? Sieci neuronowe zbudowane z pojedynczych molekuł? Czy to możliwe? Zespół kierowany przez dr. hab. Łukasza Laskowskiego z Zakładu Inżynierii Molekularnej i Nanoelektroniki Instytutu Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk, pracujący nad separacją pojedynczych cząsteczek magnetyków molekularnych, zmierza do osiągnięcia tego celu.
Dzięki najnowszym badaniom w zakresie uzyskiwania pojedynczych molekuł magnetycznych (SMM) naukowcy uczynili kolejny krok na drodze do uzyskania supergęstych pamięci magnetycznych oraz molekularnych sieci neuronowych, a zwłaszcza budowy pamięci autoasocjacyjnych i systemów optymalizacji wielokryterialnej działających na wzór ludzkiego mózgu. Ponadto udało się tego dokonać dzięki zastosowaniu metod dostępnych w przeciętnym laboratorium chemicznym.
Do końca lat osiemdziesiątych panowało przekonanie, że własności ferromagnetyczne są związane ze strukturą krystaliczną i mogą dotyczyć jedynie ciał krystalicznych o odpowiednio dużych rozmiarach. Jednak w roku 1991 pojawił się materiał zbudowany z molekuł Mn12O12(OAc)16(H2O)4, skrótowo nazwany Mn12, który zaprzeczył temu utartemu poglądowi. Okazało się, że poniżej pewnej temperatury wykazuje on cechy ferromagnetyka. Właściwości te nie wynikały z własności struktury krystalicznej, jak w przypadku ferromagnetyków, lecz z cech pojedynczej molekuły. Dlatego też materiały tego typu nazwano magnetykami molekularnymi (SMM – single-molecule magnet). Mogły one znaleźć zastosowanie w supergęstych jednostkach pamięci czy elementach sieci neuronowych, tak się jednak nie stało. Na przeszkodzie stanęły problemy z ich separacją oraz uzyskaniem odpowiedniego układu pojedynczych cząsteczek oddalonych od siebie na tyle, aby nie wpływały na siebie nawzajem. Co więcej, po uzyskaniu takiego układu należało opracować metodę obserwacji molekuł o rozmiarach zaledwie 2 nm.
Podstawowym założeniem prac było uzyskanie rozseparowanych molekuł magnetycznych na powierzchni neutralnej magnetycznie oraz bezpośrednia ich obserwacja bez zastosowania zaawansowanych technik laboratoryjnych, tak aby opracować procedurę do zastosowań technologicznych. Po dokonaniu wyboru charakterystyki materiału pod kątem cech fizykochemicznych i mechanicznych oraz struktury molekularnej należało opracować procedurę syntezy tak, aby atomy same ułożyły się w oczekiwany sposób, tworząc pożądany nanomateriał. Następnie badacze musieli dokonać wyboru magnetyka molekularnego, podłoża (matrycy), rodzaju zakotwiczenia molekuł na powierzchni podłoża, sposobu kontrolowania ich rozkładu i odległości pomiędzy nimi oraz metody bezpośredniej obserwacji takich cząsteczek.
Za najbardziej rokujący został uznany związek Mn12. Ta molekuła posiada wysoki spin w stanie podstawowym S = 10, ma zatem silny moment magnetyczny. Dzięki wprowadzeniu pewnych modyfikacji uzyskano rozpuszczalną formę Mn12, która dodatkowo okazała się bardziej odporna na warunki atmosferyczne.
Rozpatrując typ i formę użytego podłoża, naukowcy wzięli pod uwagę aspekt obserwacji otrzymanego materiału. Jednoznacznym potwierdzeniem sukcesu byłaby bezpośrednia obserwacja molekuł Mn12 na powierzchni matrycy. Było to jednak trudne z powodu ich niewielkich rozmiarów. Rozwiązaniem okazało się zastosowanie sferycznej krzemionki. Magnetyki molekularne osadzono na kulkach krzemionkowych o średnicy około 300 nm. Dzięki sferycznemu kształtowi i względnie małym rozmiarom takiego podłoża można je było dokładnie obserwować przy użyciu transmisyjnej mikroskopii elektronowej (TEM). Badacze skupili się na obserwacji samego horyzontu (obrzeża) takiej sfery i obserwacji zakotwiczonych na niej molekuł magnetycznych.
Powierzchnia krzemionki ma liczne grupy wodorotlenowe, które następnie mogą być przekształcone w grupy kotwiczące. Te z kolei z łatwością wychwytują i unieruchamiają pojedyncze molekuły Mn12. Problem kontrolowania rozkładu kotwic został natomiast rozwiązany za pomocą grup dystansowych, co pozwala na monitorowanie dystrybucji grup kotwiczących jeszcze na etapie syntezy.
Materiały były syntetyzowane w laboratorium Zakładu Inżynierii Molekularnej i Nanoelektroniki IFJ PAN. Prace nad nimi trwały od 2018 roku. Otrzymane substancje zostały zbadane pod względem własności strukturalnych z wykorzystaniem mikroskopii TEM oraz spektroskopii wibracyjnej. Własności magnetyczne wyznaczono za pomocą magnetometrii SQUID. Udało się rozmieścić pojedyncze cząsteczki magnetyczne na powierzchni krzemionki, a ponieważ procedura jest powtarzalna i nieskomplikowana, może być stosowana przez naukowców i przedstawicieli przemysłu dysponujących przeciętnie wyposażonymi laboratoriami. Dodatkowo zaimplementowano bardzo prostą metodę bezpośredniej obserwacji niewielkich molekuł osadzonych na podłożu krzemionkowym przy użyciu mikroskopii TEM. Nie mniej ważnym osiągnięciem badawczym okazało się udowodnienie, że magnetyki molekularne zachowują swoje własności, nawet gdy są odseparowane od siebie i osadzone na podłożu. Dodatkowo możliwe było określenie sposobu kotwiczenia molekuł magnetycznych w zależności od koncentracji grup kotwiczących.
Aktualnie zespół opracowuje szczegółowe wyniki pomiarów magnetycznych analizowanych substancji w funkcji koncentracji molekuł Mn12, a także trwałości wytwarzanych nanokompozytów. Kolejnym krokiem będzie regularyzacja otrzymanych układów. Obecnie odległość pomiędzy molekułami magnetycznymi jest regulowana w sposób statystyczny, docelowo jednak magnetyki molekularne Mn12 mają być rozmieszczone na powierzchni w układzie regularnym heksagonalnym. Będzie to możliwe dzięki zastosowaniu mezoporowatej krzemionki o uporządkowanej strukturze kanałów w postaci cienkiej warstwy oraz precyzyjnej wieloetapowej funkcjonalizacji podłoża.
Wróć