В Лаборатории гетероциклических соединений НИОХ СО РАН (ЛГетС) научный коллектив под руководством к.х.н. Екатерины Алексеевны Радюш приступил к реализации проекта, поддержанного грантом Российского научного фонда (№ 26-73-00337) по созданию принципиально нового класса органических парамагнетиков — цвиттер-ионных радикалов на основе 1,2,5-халькогенадиазолов.
В Лаборатории гетероциклических соединений НИОХ СО РАН накоплен богатый опыт в химии халькогенадиазолов — гетероциклов, содержащих атомы серы, селена или теллура. Эти соединения известны как сильные акцепторы электронов, способные образовывать термодинамически стабильные долгоживущие анион-радикалы. Ранее исследователями была получена и изучена серия термически стабильных анион-радикальных солей халькогенадиазолов. Однако работа с анион-радикалами выявила существенную проблему: в составе соли присутствует внешний катион, который занимает определённые позиции в кристаллической решётке, разбавляет спиновую плотность и ослабляет обменное взаимодействие между радикальными частицами. Это негативно сказывается на магнитных свойствах материалов.
Суть нового проекта — создание молекулы, в которой анион-радикал и катион были бы связаны ковалентно в единую электронейтральную частицу — цвиттер-ионный радикал. Термин «цвиттер» (от нем. Zwitter — «гермафродит») обозначает соединения, несущие одновременно положительный и отрицательный заряды, но остающиеся электронейтральными в целом. Перед исследователями стоит задача скомбинировать в одной молекуле три характеристики: положительный заряд, отрицательный заряд и неспаренный электрон (радикальный центр). Объектами исследования станут производные 1,2,5-халькогенадиазолов с аммонийными, амидиниевыми и гуанидиниевыми катионными группами.
Проект является прямым продолжением дипломной работы студента НГУ Михаила Кулькова, подготовленной в Лаборатории гетероциклических соединений НИОХ СО РАН. В ходе проведенных исследований был получен финальный продукт, однако его выделение и очистка оказались сложнее, чем предполагалось.
«Мы пытаемся скомбинировать три вещи — положительный заряд, отрицательный заряд и радикальный неспаренный электрон — в одной молекуле. Это позволит нам как можно плотнее друг к другу «упаковать» молекулы и таким образом усилить итоговые магнитные свойства», — объясняет руководитель проекта. Главное преимущество такого подхода — компактная кристаллическая упаковка. В отличие от солей, где положение катиона определяется в основном электростатическими взаимодействиями, в цвиттер-ионных радикалах катионная часть жёстко закреплена ковалентной связью с анион-радикалом. Это уменьшает диамагнитное разбавление и позволяет радикальным фрагментам эффективнее взаимодействовать друг с другом, что должно привести к усилению магнитных свойств.
На сегодняшний день в мировой практике выделено и охарактеризовано всего три примера цвиттер-ионных радикалов, и все они основаны на больших полициклических системах. «У нас же стоит задача разделить положительный и отрицательный заряд небольшим линкером, который будет держать их в одной молекуле. Как сильно это повлияет на свойства веществ — пока неизвестно, и это также станет предметом дальнейших исследований», — комментирует учёный.
Таким образом, проект не только продолжает развитие тематики радикалов на основе халькогенадиазолов, но и открывает совершенно новое направление. Впервые планируется получить цвиттер-ионный радикал на основе сравнительно простой гетероциклической системы, что позволит детально изучить корреляции между структурой и магнитными свойствами. Предстоит решить и методическую задачу: определение состава продукта с помощью ЭПР-спектроскопии и других спектральных методов в условиях, когда образец чувствителен к атмосферным воздействиям.
Хотя практическое применение новых материалов — дело будущего, научная значимость проекта очевидна. Создание молекулярных магнетиков с управляемыми свойствами открывает путь к энергоэффективной микроэлектронике и спинтронике нового поколения. Спинтроника предлагает принципиально иной подход к обработке информации, использующий не заряд электрона, а его спин (собственный магнитный момент). В отличие от традиционной электроники, спинтронные устройства потенциально способны работать без джоулевых потерь тепла, что кардинально снижает энергопотребление.
«Фундаментальные исследования являются ключом для развития возможностей всего человечества. Люди, обрабатывающие поля с помощью мотыги и лошади в свое время не могли предположить, что в скором времени они будут делать это с помощью машин. Наше исследование вполне может привести к появлению новых устройств и технологий, которые обеспечат переход на более высокий уровень и качество жизни», - считает Екатерина Радюш.