p Seguindo as pesquisas mais recentes no campo da obtenção de ímãs de molécula única (SMMs), os cientistas deram mais um passo em direção à obtenção de memórias magnéticas superdensas e redes neurais moleculares, em particular a construção de memórias auto-associativas e sistemas de otimização multicritério operando como o modelo do cérebro humano. Interessantemente, isso foi conseguido usando métodos disponíveis em um laboratório químico médio. p Até 100 milhões de bits em um milímetro quadrado de dispositivos de armazenamento magnético? Redes neurais feitas de moléculas únicas? O trabalho realizado por uma equipe liderada por Lukasz Laskowski do Departamento de Engenharia Molecular e Nanoeletrônica do Instituto de Física Nuclear da Academia Polonesa de Ciências que se concentra na separação de partículas individuais de ímãs moleculares nos aproxima de alcançar esses objetivos.

p Até o final da década de 1980, prevaleceu uma opinião amplamente aceita de que as propriedades ferromagnéticas estão associadas à estrutura do cristal e só podem ser relacionadas à matéria cristalina apropriadamente volumosa. Contudo, em 1991, um material feito de Mn ₁₂ O ₁₂ (OAc) ₁₆ (H ₂ O) ₄ moléculas, também conhecido como Mn ₁₂ -estearato, apareceu, que contradiz esta crença comum. Descobriu-se que abaixo de uma determinada temperatura este material exibe propriedades ferromagnéticas. Vale ressaltar que essas propriedades magnéticas não resultaram das propriedades da estrutura cristalina, como no caso de ferromagnéticos, mas das características de uma única molécula. É por isso que materiais desse tipo foram chamados de ímãs de molécula única (SMMs).

p Não é difícil imaginar a aplicação de tais compostos, por exemplo, em unidades de memória superdensa ou elementos de redes neurais. Portanto, parece que os ímãs de uma única molécula rapidamente se tornarão amplamente usados. Contudo, isso não aconteceu. Isso provavelmente foi causado por problemas com sua separação e obtenção de um sistema adequado de moléculas individuais espaçadas o suficiente uma da outra que as impedia de se afetar. Além disso, depois de obter tal sistema, foi necessário desenvolver um método para observar moléculas tão pequenas quanto 2 nm.

p Então, como alguém pode tirar o máximo proveito das propriedades dos ímãs de uma única molécula? Como organizar as partículas individuais desse material no substrato para que não percam suas propriedades? Como verificar o surgimento de tal sistema? É necessário usar tecnologias sofisticadas para esse fim?

p A premissa básica do projeto era obter ímãs separados de uma única molécula em um substrato magneticamente neutro e observar diretamente essas moléculas sem o uso de técnicas laboratoriais avançadas. A prioridade foi a posterior utilização dos procedimentos desenvolvidos para aplicações comerciais. Depois de escolher as características do material em termos de características físico-químicas e mecânicas, e estrutura molecular, foi necessário desenvolver um procedimento de síntese de tal forma que os átomos se arranjassem, criando o nanomaterial desejado. Então, os pesquisadores tiveram que escolher um ímã de uma única molécula, um substrato (matriz), o tipo de moléculas de ancoragem na superfície do substrato, a maneira de controlar sua distribuição e a distância entre eles, e métodos para observação direta de tais moléculas.

p Na fase de seleção de possíveis tipos de ímãs de uma única molécula, o Mn ₁₂ -estearato composto foi reconhecido como o mais promissor. Esta partícula tem um spin alto de estado fundamental S =10 e, Portanto, um forte momento magnético. Devido a algumas modificações, a forma solúvel de Mn ₁₂ -estearato foi obtido, que adicionalmente provou ser mais resistente ao impacto atmosférico.

p Ao considerar o tipo e a forma do meio usado, os cientistas levaram em consideração o aspecto da observação do material obtido. A confirmação explícita do sucesso seria a observação direta de Mn ₁₂ -estearato moléculas na superfície da matriz. Contudo, isso era difícil devido ao seu pequeno tamanho de apenas cerca de 2 nm. A solução acabou sendo a aplicação de sílica esférica. Ímãs de molécula única foram depositados em partículas esféricas de sílica com um diâmetro de aproximadamente 300 nm. Com a forma esférica e o tamanho relativamente pequeno de tal substrato, eles podiam ser claramente observados usando microscopia eletrônica de transmissão (TEM). Em particular, a equipe se concentrou em observar o próprio horizonte (periferia) de tal esfera e detectar os ímãs de uma única molécula ancorados a ela (Figs 1 e 2).

p A superfície da sílica escolhida como substrato para a deposição de moléculas magnéticas possui numerosos grupos hidroxila, que podem então ser alteradas em unidades de ancoragem. O método de ancoragem das moléculas depende da ligação de grupos butil-nitrila às unidades de hidroxila de superfície e depois transformados em grupos de propil carboxila por hidrólise. Esses, por sua vez, facilmente capturar e imobilizar Mn individual ₁₂ -moléculas de estearato. O problema de controlar a distribuição de âncoras foi superado, Contudo, com a ajuda de unidades espaçadoras, que permite monitorar a distribuição das unidades de ancoragem durante a síntese.

p Os materiais foram sintetizados no laboratório do Departamento de Engenharia Molecular e Nanoeletrônica do Instituto de Física Nuclear da Academia Polonesa de Ciências. Os trabalhos envolvendo os materiais são realizados desde 2018. As substâncias obtidas foram testadas quanto às propriedades estruturais por microscopia TEM e espectroscopia vibracional. As propriedades magnéticas foram determinadas usando magnetometria SQUID.

p Os resultados obtidos comprovam diretamente que o grupo de pesquisa conseguiu colocar partículas magnéticas individuais na superfície da sílica. O procedimento é robusto, Repetivel, e descomplicado, portanto, pode ser usado por unidades científicas e industriais equipadas com laboratórios medianamente equipados. Além do mais, um método muito simples de observação direta de pequenas moléculas depositadas em um substrato de sílica foi implementado - Mn ₁₂ -moléculas de estearato eram claramente visíveis, especialmente perto do horizonte de sílica esférica usando microscopia TEM. Ninguém jamais aplicou esse procedimento antes. Uma realização de pesquisa igualmente importante provou ser a observação de que os ímãs de uma única molécula retêm suas propriedades, mesmo quando separados uns dos outros e embutidos no substrato. Além disso, foi possível determinar a forma de ancoragem das moléculas magnéticas em função da concentração das unidades de ancoragem.

p Os resultados obtidos são muito importantes e incentivam novos trabalhos neste tipo de material. Atualmente, a equipe está trabalhando na análise dos resultados detalhados das medições magnéticas para as substâncias aqui descritas em função da concentração de Mn ₁₂ -moléculas de estearato. Os cientistas também estão investigando a durabilidade dos nanocompósitos fabricados. O próximo passo será a regularização dos sistemas obtidos. Atualmente, a distância entre as moléculas magnéticas é regulada estatisticamente, mas no final das contas, Mn ₁₂ - ímãs de molécula única de estearato devem ser dispostos no substrato em uma configuração hexagonal regular. Isso será possível com a utilização de sílica mesoporosa com estrutura ordenada de canais em forma de filme fino e funcionalização precisa em múltiplos estágios do substrato.