Новости химической науки > Катенан с переключаемыми состояниями готов хранить данные

Пример типичного везения в сочетании с умением настоять на своей идее – быстрый эксперимент в начале работы над докторской диссертацией (PhD) позволил получить устойчивое органическое соединение с четырьмя неспаренными электронами. В настоящее время исследователи исследуют возможность применения нового соединения для источников питания и хранения данных.

Когда Джонатан Барнс (Jonathan Barnes) присоединился к группе Фрейзера Штоддарта (Fraser Stoddart), исследователи работали над решением проблемы молекулярного распознавания с помощью радикальных систем, а также удерживанием пар содержащих радикальные центры молекул в близком контакте. Исследователи инкапсулировли молекулы в макроцикл, после чего удаляли из них два электрона, создавая радикальные пары.

Барнс ознакомился с другими исследовательскими проектами, работа над которыми проводилась в группе, и подумал, что было бы интересно изучить создание радикальных центров в катенанах – сцепленных друг с другом макроциклом. Несмотря на критику идеи, высказанную коллегами, Барнс решил проверить свою идею на практике.

Способность катенана переключаться между парамагнитным и диамагнитным состояниями делает его очень интересным материалом для хранения информации. (Рисунок из Science, 2013, DOI: 10.1126/science.1228429)

Изученные катенаны оказались весьма удачны для изучения такого типа химических процессов из-за того, что они созданы из бипиридиниевых фрагментов, которые способны образовывать катион-радикалы при одноэлектронном окислении. Исследователи успешно выбили электроны из сцепленных циклов один за другим, в итоге получив устойчивую структуру, содержащую четыре неспаренных электрона, что является уникальным для химии радикалов.

Ключ устойчивости новой радикальной системы является механическое взаимодействие двух макроциклов, принуждающих катион-радикалы к сближению. Это вынужденное сближение приводит к тому, что молекулы никогда не окисляются до полностью заряженной системы, а останавливается на образовании парамагнитной частицы ˙7+. Как поясняет Барнс, это происходит благодаря тому, что молекула стремится минимизировать заряд в области, соответствующей центру обоих макроциклов. У заряженных частиц нет другого выхода, кроме как взаимодействовать друг с другом, и электрон не отрывается из-за того, что это снижает силы отталкивания зарядов.

Однако если частица ˙7+ парамагнитна, все остальные заряженные частицы диамагнитны из-за спаривания электронов. Появляется возможность быстро переключаться между парамагнитным и диамагнитным состояниями системы, добавляя к ней и удаляя электроны. Такое простое переключение может стать ключом для потенциального практического применения новой системы – хранения информации.

Тем не менее, прежде всего Барнс и Штоддарт планируют выполнить совместную с корейскими учеными исследовательскую работу по использованию нового материала в литий-ионных батареях, которые, по словам исследователей, нуждаются в материале, который представляет собой хороший акцептор электронов, и катенан является именно таким.

Источник: Science, 2013, DOI: 10.1126/science.1228429

метки статьи: #межмолекулярные взаимодействия, #молекулярная электроника, #молекулярные устройства, #органическая химия