UJ opracował nową metodę wytwarzania molekularnych, miękkich materiałów magnetycznych

Na Wydziale Chemii Uniwersytetu Jagiellońskiego opracowano uniwersalną metodę tworzenia molekularnych, miękkich materiałów magnetycznych. W przeciwieństwie do dotychczasowych technologii, związki uzyskane metodą zaproponowaną przez naukowców UJ są odporne na wysokie temperatury, co zwiększa ich potencjalne zastosowanie w różnych sektorach przemysłu.

To odkrycie jest istotne z co najmniej dwóch powodów. Po pierwsze, metoda wykorzystuje prekursory, które pozwalają na produkcję różnorodnych mikromagnetyków z łatwo dostępnych pierwiastków, w tym takich, które dotąd nie były uważane za magnetycznie aktywne. W praktyce oznacza to niższe koszty wdrożenia technologii i uniezależnienie się od trudnodostępnych i kosztownych metali, takich jak kobalt, nikiel czy metale ziem rzadkich, które obecnie dominują w produkcji materiałów magnetycznych.

Po drugie, magnetyki molekularne mają potencjalnie bardzo szerokie zastosowanie w wielu sektorach gospodarki, od medycyny i farmacji, przez technologie kosmiczne, elektronikę, nośniki pamięci i energetykę, po komputery kwantowe. Każda innowacja w tej dziedzinie może przyczynić się do znaczącego postępu technologicznego, wpływając pozytywnie na różnorodne aspekty naszego życia.

Prof. dr hab. Janusz Szklarzewicz z UJ opowiada, że wspólnie opracowali prekursory z ligandami cyjanowymi wykazujące cechy poszukiwane od lat przez przemysł. „Można je łączyć z szeroką gamą pierwiastków, w tym również niemetali, co pozwala uzyskać mikrocząsteczki o nadzwyczaj silnych właściwościach ferromagnetycznych, czyli takich, które są właściwe dla zwykłych magnesów. Co ciekawe, na bazie opracowanych przez nas prekursorów można wytwarzać magnetyczne materiały miękkie w różnych postaciach – magnetycznych ciał stałych, jak i magnetycznych cieczy. Możemy uzyskać nie tylko cząsteczki, ale też różnej wielkości kryształy, proszek czy powłoki o właściwościach magnetycznych”.

Opracowana technologia pozwala na wytwarzanie miękkich ferromagnetyków, które w wysokich temperaturach zachowują trwałość i właściwości magnetyczne. Materiały te wytrzymują każdy zakres temperatur aż do poziomu rozpadu prekursora. To istotne, ponieważ w dotychczas stosowanych w przemyśle molekularnych materiałach magnetycznych dużym problemem była utrata właściwości ferromagnetycznych już w bardzo niskich temperaturach, nawet poniżej temperatury ciekłego azotu. To ograniczenie znacznie zmniejszało możliwości praktycznego wykorzystania tych materiałów.

Nowa technologia niweluje te ograniczenia, otwierając szerokie perspektywy dla jej zastosowania w różnych gałęziach przemysłu.

Czytaj więcej: Nanomateriały jako powłoki ochronne szyte na miarę

Magnetyki molekularne wyróżniają się unikalnymi cechami w porównaniu do tradycyjnych materiałów magnetycznych, takimi jak mała gęstość i bistabilność spinowa. Niska gęstość pozwala na uzyskanie wysokiego stosunku siły pola magnetycznego do masy materiału. Bistabilność spinowa oznacza, że materiał może zmieniać swoje właściwości magnetyczne pod wpływem zewnętrznych czynników, na przykład światła.

Miękkie magnetyki wykazują właściwości ferromagnetyczne, gdy są poddawane zewnętrznemu polu magnetycznemu. Przy zmiennym polu magnetycznym, nawet przy wysokich częstotliwościach, materiał również reaguje zmiennością swoich właściwości magnetycznych. Ważnym aspektem jest szybkość tych zmian magnetycznych, określana przez wartość histerezy. Ta cecha jest szczególnie pożądana w przemyśle energetycznym, w kontekście przesyłu energii i transformacji napięcia, ponieważ wpływa na efektywność przesyłu oraz minimalizuje straty energetyczne. Odpowiednie materiały magnetyczne umożliwiają budowę urządzeń o niskich stratach energetycznych, zdolnych do pracy przy bardzo wysokich częstotliwościach.

Jak wyjaśnia dr hab. Maciej Hodorowicz, współtwórca wynalazku z Wydziału Chemii Uniwerystetu Jagielońskiego:

„opracowana przez nas klasa materiałów wykazuje właściwości magnetyczne na poziomie cząsteczkowym i zachowuje się podobnie do ferromagnetyków, czyli tradycyjnych magnesów. Cechy materiału wynikają z właściwości pojedynczych cząsteczek, a nie ze struktury krystalicznej, z czym mamy do czynienia w zwykłych magnesach. W praktyce oznacza to tyle, że korzystając z odpowiednich prekursorów możemy pozyskiwać mikrocząsteczki magnetyczne. Możemy je również ze sobą łączyć, tak aby uzyskać pożądany materiał docelowy, na przykład kryształ, ciecz czy powłokę. Wszystko zależy od przeznaczenia danego magnetyku. W każdym razie technologia daje ogromny potencjał jej wykorzystania do różnych celów – wszędzie tam, gdzie potrzebne są miękkie materiały o właściwościach ferromagnetycznych”.

Zastosowanie ferromagnetyków

Opracowana technologia oferuje bardzo szeroki wachlarz zastosowań. Na obecnym etapie Uniwersytet Jagielloński zabezpieczył technologię poprzez zgłoszenia patentowe zarówno w Polsce, jak i za granicą. Teraz kluczowe jest nawiązanie współpracy z podmiotami z różnych branż, które będą zainteresowane testowaniem i wdrożeniem tej innowacji.

„Istnieją szerokie możliwości wdrażania w takich obszarach, jak komputery kwantowe, transformatory energii, nośniki leków, miniaturyzacja elektroniki, produkcja nośników danych, czy w tak wyrafinowanych segmentach, jak uszczelniające ciecze magnetyczne stosowane w stacjach kosmicznych czy satelitach. Na tym etapie współpraca z przemysłem jest kluczowa, a szerokość potencjału powoduje, iż poszukujemy partnerów do dalszego rozwoju tej technologii równocześnie w wielu branżach i segmentach” – opowiada dr inż. Gabriela Konopka-Cupiał, dyrektorka Centrum Transferu Technologii UJ, CITTRU.

Inną cechą, jaką wykazują się opracowane magnetyki molekularne, jest światłoczułość. „Światłoczułość umożliwia wykorzystanie tych materiałów na przykład w produkcji nowego typu nośników pamięci, w których kluczowym elementem jest cienka powłoka magnetyczna. Taka powłoka może ulec kontrolowanemu zniszczeniu, pod wpływem światła, jak i odpowiedniej temperatury. Ważne przy tym jest to, że tego rodzaju kontrolowana destrukcja rzeczywiście powoduje nieodwracalną utratę danych. Być może właśnie tego typu technologie w przyszłości znajdą zastosowanie również w przemyśle wojskowym czy specjalistycznej informatyce” – dodaje prof. dr hab. Janusz Szklarzewicz.