Теория новейших материалов

Ряд молекул обладают магнитными свойствами, другие — нет. Спин-кроссовер молекулы в этом смысле необычны, так как их можно переключать между магнитным и немагнитным состоянием. Обычно они представляют собой металлоорганические комплексы, чаще на основе ионов железа, которые модифицируют свои спиновые состояния под действием различных внешних стимулов. Это может быть изменение  температуры и давления, облучение светом.

Спин-кроссовер материалы химики получают внедрением примеси из спин-кроссовер молекул в твердые матрицы различных веществ. Эти новые материалы, например в виде тонких пленок или чередующихся слоев, проявляют разнообразные фазовые переходы, необходимые для работы различных электронных приборов. Ряд специалистов считает, что новые управляемые материалы заменят многие приборы современной кремниевой электроники, которая почти исчерпала возможности своего развития. Однако из-за трудностей изменения фазовых состояний при комнатных температурах эта идея еще себя не реализовала. Пока переключение состояний спин-кроссовер молекул экспериментально  возможно только при низких температурах в десятки Кельвинов.

Эту проблему, десятилетиями волновавшую физиков и химиков, удалось наконец теоретически решить австралийским ученым из Университета Квинсленда.  Исследователи из его Школы математики и  физики под руководством профессора Бена Пауэлла (Ben Powell) построили удивительно точную полуэмпирическую модель квантовых явлений в спин-кроссовер веществах. Математическая модель микроскопических явлений в них основана на полевой теории кристаллов, дополненной учетом упругих межмолекулярных взаимодействий. Такой теоретический подход полностью воспроизводит ключевые экспериментальные результаты, включая фазовые переходы при изменении температуры и индуцированные светом процессы. Интересно, что теоретики объяснили даже ряд тонких температурных зависимостей фазовых переходов в широком классе веществ.

На основе своей новой теории физики предложили химикам пути синтеза новых материалов, в частности за счет увеличения их жесткости. Авторы также продемонстрировали предварительные результаты своей работы на кремнии с примесью спин-кроссовер молекул.

Новая теория, если ее предсказания будут реализованы, откроет путь для создания миниатюрных и энергоэффективных технологий микроэлектроники, так как приборы смогут работать при комнатной и даже повышенной температуре. Их можно будет использовать как сенсоры, поглотители углерода, хранилища водорода в топливных ячейках, приводы роботов, преобразующие электрический ток в механическое движение. Бен Пауэлл говорит, что он также ожидает появление быстрых компьютеров и очень емких аккумуляторов.  Профессор не преминул добавить, что потребление энергии такими приборами будет сильно снижено, что позволит бороться с глобальным потеплением.

Громкие заявления ученого можно понять, он хочет видеть воплощение своих идей в конкретные материалы. Уже заключен договор о сотрудничестве в синтезе новых веществ и их тестировании с химиками Университетов Нового Южного Уэльса и Сиднея. Как говорится, нет ничего практичнее хорошей теории.

Journal of the American Chemical Society, 144, 20, 9138, 2022