Suite aux dernières recherches dans le domaine de l'obtention d'aimants à molécule unique (SMM), les scientifiques ont franchi une nouvelle étape sur la voie de l'obtention de mémoires magnétiques ultra-denses et de réseaux de neurones moléculaires, en particulier la construction de mémoires auto-associatives et de systèmes d'optimisation multicritères fonctionnant comme le modèle du cerveau humain. De façon intéressante, ceci a été réalisé en utilisant des méthodes disponibles dans un laboratoire chimique moyen.

Jusqu'à 100 millions de bits dans un millimètre carré de dispositifs de stockage magnétique ? Des réseaux de neurones constitués de molécules uniques ? Les travaux menés par une équipe dirigée par Lukasz Laskowski du Département de génie moléculaire et de nanoélectronique de l'Institut de physique nucléaire de l'Académie polonaise des sciences qui se concentre sur la séparation de particules individuelles d'aimants moléculaires nous rapprochent de la réalisation de ces objectifs.

Jusqu'à la fin des années 1980, une opinion largement acceptée a prévalu que les propriétés ferromagnétiques sont associées à la structure cristalline et ne peuvent être liées qu'à une matière cristalline suffisamment volumineuse. Cependant, en 1991, un matériau en Mn 12 O 12 (OAc) 16 (H 2 O) 4 molécules, également connu sous le nom de Mn 12 -stéarate, apparu, ce qui contredit cette croyance commune. Il s'est avéré qu'en dessous d'une certaine température ce matériau présente des propriétés ferromagnétiques. Il convient de souligner que ces propriétés magnétiques ne résultent pas des propriétés de la structure cristalline, comme dans le cas du ferromagnétique, mais des caractéristiques d'une seule molécule. C'est pourquoi les matériaux de ce type ont été appelés aimants à molécule unique (SMM).

Il n'est pas difficile d'imaginer l'application de tels composés, par exemple dans des unités de mémoire ultra-denses ou des éléments de réseaux de neurones. Par conséquent, il semblerait que les aimants monomoléculaires deviendront rapidement largement utilisés. Cependant, cela ne s'est pas produit. Cela était probablement dû à des problèmes de séparation et d'obtention d'un système approprié de molécules individuelles suffisamment espacées les unes des autres pour les empêcher de s'affecter les unes les autres. De plus, après avoir obtenu un tel système, il était nécessaire de développer une méthode pour observer des molécules aussi petites que 2 nm.

Alors, comment tirer le meilleur parti des propriétés des aimants à molécule unique ? Comment disposer des particules individuelles d'un tel matériau sur le substrat afin qu'elles ne perdent pas leurs propriétés? Comment vérifier l'émergence d'un tel système ? Est-il nécessaire d'utiliser des technologies sophistiquées à cette fin ?

L'hypothèse de base du projet était d'obtenir des aimants à molécule unique séparés sur un substrat magnétiquement neutre et d'observer directement ces molécules sans recourir à des techniques de laboratoire avancées. La priorité était l'utilisation ultérieure des procédures développées pour les applications commerciales. Après avoir choisi les caractéristiques du matériau en termes de caractéristiques physico-chimiques et mécaniques, et la structure moléculaire, il était nécessaire de développer une procédure de synthèse de telle sorte que les atomes s'arrangent normalement, créer le nanomatériau souhaité. Puis, les chercheurs ont dû choisir un aimant à molécule unique, un substrat (matrice), le type de molécules d'ancrage à la surface du substrat, la manière de contrôler leur répartition et la distance entre elles, et des méthodes d'observation directe de telles molécules.

Au stade de la sélection des types possibles d'aimants monomoléculaires, le Mn 12 -le composé stéarate a été reconnu comme le plus prometteur. Cette particule a un spin à l'état fondamental élevé S =10 et, donc, un moment magnétique fort. En raison de certaines modifications, la forme soluble de Mn 12 -le stéarate a été obtenu, qui s'est en outre avéré plus résistant aux impacts atmosphériques.

Lorsque l'on considère le type et la forme du support utilisé, les scientifiques ont pris en compte l'aspect d'observation du matériel obtenu. La confirmation explicite du succès serait l'observation directe de Mn 12 -molécules de stéarate à la surface de la matrice. Cependant, cela était difficile en raison de leur petite taille d'environ 2 nm seulement. La solution s'est avérée être l'application de silice sphérique. Des aimants à molécule unique ont été déposés sur des particules de silice sphériques d'un diamètre d'environ 300 nm. Avec la forme sphérique et la taille relativement petite d'un tel substrat, ils ont pu être clairement observés en utilisant la microscopie électronique à transmission (MET). En particulier, l'équipe s'est concentrée sur l'observation de l'horizon même (périphérie) d'une telle sphère et sur la détection des aimants monomoléculaires qui y sont ancrés (Figs 1 et 2).

La surface de la silice choisie comme substrat pour le dépôt de molécules magnétiques présente de nombreux groupements hydroxyles, qui peuvent ensuite être transformés en unités d'ancrage. La méthode d'ancrage des molécules dépend de la fixation de groupes butyl-nitrile aux unités hydroxyles de surface puis transformées en groupes propyl carboxyle par hydrolyse. Ces, à son tour, capturer et immobiliser facilement le Mn individuel 12 -molécules de stéarate. Le problème du contrôle de la distribution des ancres a été surmonté, cependant, à l'aide d'unités d'espacement, ce qui permet de suivre la répartition des unités d'ancrage lors de la synthèse.

Les matériaux ont été synthétisés dans le laboratoire du Département de génie moléculaire et de nanoélectronique de l'Institut de physique nucléaire de l'Académie polonaise des sciences. Les travaux impliquant les matériaux sont menés depuis 2018. Les substances obtenues ont été testées en ce qui concerne les propriétés structurelles en utilisant la microscopie MET et la spectroscopie vibrationnelle. Les propriétés magnétiques ont été déterminées à l'aide de la magnétométrie SQUID.

Les résultats obtenus prouvent directement que le groupe de recherche a réussi à placer des particules magnétiques individuelles sur la surface de la silice. La procédure est robuste, répétable, et simple, il peut donc être utilisé par des unités scientifiques et industrielles dotées de laboratoires moyennement équipés. Outre, une méthode très simple d'observation directe de minuscules molécules déposées sur un substrat de silice a été mise en œuvre :Mn 12 -les molécules de stéarate étaient clairement visibles, en particulier près de l'horizon de silice sphérique en utilisant la microscopie MET. Personne n'a jamais appliqué cette procédure auparavant. Une réalisation de recherche tout aussi importante s'est avérée être l'observation que les aimants à molécule unique conservent leurs propriétés, même lorsqu'ils sont séparés les uns des autres et noyés sur le substrat. En outre, il a été possible de déterminer le mode d'ancrage des molécules magnétiques en fonction de la concentration des unités d'ancrage.

Les résultats obtenus sont très importants et incitent à poursuivre les travaux sur ce type de matériau. Actuellement, l'équipe travaille à l'analyse des résultats détaillés des mesures magnétiques des substances décrites ici en fonction de la concentration en Mn 12 -molécules de stéarate. Les scientifiques étudient également la durabilité des nanocomposites fabriqués. La prochaine étape sera la régularisation des systèmes obtenus. Actuellement, la distance entre les molécules magnétiques est régulée statistiquement, mais finalement, Mn 12 -des aimants monomoléculaires en stéarate sont disposés sur le substrat selon une configuration hexagonale régulière. Cela sera possible avec l'utilisation de silice mésoporeuse avec une structure ordonnée de canaux sous forme de film mince et une fonctionnalisation multi-étapes précise du substrat.