Une collaboration canado-finlandaise a mené à la découverte d'un nouveau composé magnétique dans lequel deux ions métalliques de dysprosium magnétique sont pontés par deux radicaux organiques aromatiques formant une liaison en galette. Les résultats de cette étude peuvent être utilisés pour améliorer les propriétés magnétiques de composés similaires. L'enquête théorique de l'étude a été réalisée par le chercheur de l'Académie Jani O. Moilanen à l'Université de Jyväskylä, alors que le travail expérimental a été effectué à l'Université d'Ottawa dans les groupes des Profs. Muralee Murugesu et Jaclyn L. Brusso. Les résultats de la recherche ont été publiés dans la célèbre revue de chimie— Frontières de la chimie inorganique en juillet 2020—avec la pochette.

Les aimants sont utilisés dans de nombreux appareils électroniques modernes, allant des téléphones portables et des ordinateurs aux appareils d'imagerie médicale. Outre les aimants traditionnels à base de métal, l'un des intérêts de recherche actuels dans le domaine du magnétisme a été l'étude des aimants monomoléculaires constitués d'ions métalliques et de ligands organiques. Les propriétés magnétiques des aimants à molécule unique sont d'origine purement moléculaire, et il a été proposé qu'à l'avenir, des aimants à molécule unique pourraient être utilisés dans le stockage d'informations à haute densité, l'électronique de spin (spintronique), et les ordinateurs quantiques.

Malheureusement, la plupart des aimants monomoléculaires actuellement connus ne présentent leurs propriétés magnétiques qu'à basse température proche du zéro absolu (?273°c), ce qui empêche leur utilisation dans les appareils électroniques. Le premier aimant à molécule unique qui a conservé son magnétisation au-dessus du point d'ébullition de l'azote liquide (? 196 ° C) a été signalé en 2018. Cette étude a été une percée considérable dans le domaine des matériaux magnétiques car elle a démontré que les aimants à molécule unique des températures plus élevées peuvent également être réalisées.

Les excellentes propriétés magnétiques du composé rapporté aux températures élevées proviennent de la structure tridimensionnelle optimale du composé. En théorie, des principes de conception similaires pourraient être utilisés pour des aimants à molécule unique contenant plus d'un ion métallique, mais le contrôle de la structure tridimensionnelle des composés multinucléaires est beaucoup plus difficile.

Des radicaux organiques de pontage ont été utilisés dans le nouveau composé

Au lieu de contrôler entièrement la structure tridimensionnelle du composé signalé, une stratégie de conception différente a été utilisée dans cette étude.

"Comme les ions dysprosium, les radicaux organiques ont également des électrons non appariés qui peuvent interagir avec des électrons non appariés d'ions métalliques. Ainsi, les radicaux organiques peuvent être utilisés pour contrôler les propriétés magnétiques d'un système avec les ions métalliques. Les radicaux organiques particulièrement intéressants sont ceux de pontage car ils peuvent interagir avec plusieurs ions métalliques. Nous avons utilisé cette stratégie de conception dans notre étude, et étonnamment, nous avons synthétisé un composé où non seulement un, mais deux radicaux organiques ont ponté deux ions dysprosium et ont formé une liaison en crêpe à travers leurs électrons non appariés, » précise la professeure Muralee Murugesu de l'Université d'Ottawa.

« Même si la formation de la liaison galette entre deux radicaux est bien connue, c'était la première fois que la liaison en galette était observée entre deux ions métalliques. L'interaction entre les radicaux organiques est souvent appelée liaison en crêpe parce que la structure tridimensionnelle des radicaux organiques en interaction ressemble à une pile de crêpes, " raconte la professeure Jaclyn L. Brusso de l'Université d'Ottawa.

La liaison galette dans le nouveau composé était très forte. Par conséquent, les électrons non appariés des radicaux organiques n'interagissaient pas fortement avec les électrons non appariés des ions dysprosium et le composé n'a fonctionné comme un aimant à molécule unique qu'à basse température. Cependant, l'étude ouvre la voie à la nouvelle stratégie de conception de nouveaux aimants multinucléaires à molécule unique et a lancé des recherches supplémentaires.

"Les méthodes de chimie informatique ont fourni des informations importantes sur la structure électronique et les propriétés magnétiques du composé qui peuvent être utilisées dans de futures études. En choisissant le bon type de radicaux organiques, nous pouvons non seulement contrôler la nature de la liaison en crêpe entre les radicaux, mais également améliorer les propriétés magnétiques du composé dans son ensemble, " Commente Jani O. Moilanen, chercheur à l'Académie, de l'Université de Jyväskylä.