Naukowcy odkryli nową klasę związków o właściwościach magnetycznych, które mogą pomóc m.in. w budowie lepszych komputerów kwantowych
Amerykański satyryk Dave Barry powiedział kiedyś, że magnetyzm „to potężna siła, która sprawia, że niektóre przedmioty są przyciągane przez lodówki”. Magnesy na domowe urządzenia chłodnicze to najczęściej wykorzystywany przykład oddziaływania magnetycznego. W rzeczywistości jednak świat magnetyzmu jest dużo bardziej różnorodny niż tylko pamiątki z podróży.
Generalnie magnesy kojarzą nam się z metalami, ale właściwości magnetyczne mogą wykazywać także niemetale, zwłaszcza pod postacią różnych związków chemicznych. W literaturze naukowej tę klasę związków nazywa się magnesami molekularnymi. – Nad ich poszukiwaniem od lat 80. pracują setki instytutów badawczych na świecie. Zbudowano na tym niejedną karierę naukową. Sukcesy były, ale Graala udało się odkryć właśnie nam – cieszy się dr Maciej Hodorowicz z UJ.
Ciepło, cieplej… i magia znika
Magnesami molekularnymi nauka interesuje się ze względu na potencjał miniaturyzacji – ponieważ w ich przypadku jak magnes może się zachowywać pojedyncza molekuła, otwiera to drogę do pamięci magnetycznych o niesłychanej pojemności, znacznie przewyższającej oferowaną przez dzisiejsze dyski twarde. Magnesy molekularne mają również wiele rozmaitych właściwości, których nie wykazują ich „zwyczajni koledzy”, a które mogą się okazać fantastyczne w budowie komputerów kwantowych.
Uważny czytelnik już zapewne zorientował się, że rewolucja technologiczna jeszcze nie nadeszła, bo ani reklamy w telewizji nie krzyczą o nowych dyskach twardych, ani komputery kwantowe nie zaczęły pojawiać się w sprzedaży. Na drodze do przełomu stał jeden element: dotychczas odkryte magnesy molekularne mogą pracować tylko w bardzo niskich temperaturach, dużo poniżej zera. W praktycznym zastosowaniu oznacza to konieczność bardzo drogiego chłodzenia, co przekłada się na końcową cenę produktu… i więcej nie trzeba już chyba tłumaczyć.
– To przypomina nieco historię nadprzewodników, materiałów zdolne do przewodzenia prądu elektrycznego w sposób bezstratny. Co z tego, że odkryto je już dawno, skoro dalej wszystkie do działania potrzebują bardzo niskich temperatur, po usunięciu których cała magia znika – tłumaczy prof. Janusz Szklarzewicz. W efekcie nadprzewodniki stosuje się wyłącznie tam, gdzie to niezbędne – nie opłacają się np. w sieciach przesyłowych, za pomocą których energia elektryczna trafia do domów. Trudno sobie wyobrazić, ile mogłoby kosztować chłodzenie do minus 270 st. C tysięcy kilometrów takiej infrastruktury.
200 stopni w górę
Dlatego Graalem inżynierii materiałowej jest wynalezienie nadprzewodników wysokotemperaturowych, zdolnych do pracy w temperaturze pokojowej. Podobnie jest w przypadku magnesów molekularnych – naukowcy przez ostatnie lata szukali nie tyle nowych klas tych związków, ile takich, które są w stanie pracować w „zwyczajnych” warunkach. Analogicznie Graalem świata magnetyzmu są wysokotemperaturowe magnesy molekularne.
– Każda rzecz, jeśli znajdzie się w odpowiednio niskiej temperaturze, będzie wykazywała pożądane właściwości magnetyczne. Sztuką jest otrzymanie takich związków, które wykazują ferromagnetyzm również w temperaturach pokojowych, bo to ma przełożenie na zastosowania – tłumaczy dr Hodorowicz. – Udało nam się tę temperaturę krytyczną podnieść do ok. 150 st. C. To olbrzymi skok, będący ukoronowaniem wielu lat prac. Nie mam wątpliwości, że to narodziny nowej dziedziny – mówi prof. Szklarzewicz.
Co ciekawe, samo odkrycie było nieco przypadkowe. Pierwszy związek z nowej klasy, który udało się zidentyfikować naukowcom z Krakowa, był po prostu kolejną cząsteczką, której parametry magnetyczne badali. Wyniki pomiarów były 300, a nawet 400 razy wyższe od oczekiwanych, więc naukowcy podejrzewali, że zepsuła im się aparatura. Dopiero ponowne pomiary i syntezy potwierdziły, że trafili na coś absolutnie wyjątkowego.
Ech, te magnesy
Później naukowcy zaczęli majstrować przy strukturze cząsteczki, podstawiając coraz to inne atomy i okazało się, że właściwości magnetyczne zostają zachowane. W ten sposób wykazali, że takie właściwości mogą mieć również związki z wolframem, molibdenem, złotem, platyną, cykiem, ołowiem i niklem – metalami, których raczej nie spotyka się w standardowych magnesach. Jakby tego było mało, fenomenalne właściwości nowe związki zawdzięczają prawdopodobnie obecności niemetali – węgla i azotu.
– W pewnym sensie uczymy się tutaj robić coś jak procesory: bierzemy bardzo tani substrat – w przypadku układów elektronicznych będzie to składający się z krzemu piasek – i zamieniamy go w coś bardzo wartościowego. Najdroższe związki, jakie uzyskaliśmy, kosztowały parę milionów dolarów za kilogram, ale to nic zdrożnego, ponieważ do zastosowań praktycznych potrzebne są naprawdę niewielkie ilości – tłumaczy prof. Szklarzewicz.
Największym zaskoczeniem dla naukowców było to, że nowe związki wywracają do góry nogami nasze rozumienie molekularnych podstaw magnetyzmu. Na przykład dotychczas badacze przyjmowali, że właściwości magnetyczne wymagały, aby atomy w metalach były upakowane blisko siebie, mniej więcej w odległości 5–6 angstremów (pojedyncza bakteria ma długość dziesiątek tysięcy angstremów). Tutaj okazuje się, że odległości te mogą być znacznie, znacznie większe – a mimo to związek wciąż zachowuje właściwości. Wygląda na to, że nie tylko muzycy z zespołu Insane Clown Posse zastanawiają się: „Cholerne magnesy, jak one działają?”.
– Nauczyliśmy się wpływać na układ krystalograficzny. Zmuszamy naturę, żeby zachowywała się tak, jak my tego chcemy, nawet jeśli do końca nie rozumiemy, dlaczego tak się dzieje – mówi prof. Szklarzewicz. ©℗
