Metal-containing organic molecules that exhibit magnetism could one day offer a lightweight, flexible alternative to the relatively dense metal and ceramic magnets used in today’s engines, turbines, and electronics. Researchers have shown that a promising but unstable molecular magnet can become stable when 3D printed (Nano Lett. 2022, DOI: 10.1021/acs.nanolett.1c01879).
In recent years, chemists have built molecular magnets that have magnetic fields comparable to those of conventional magnets at room temperature. But even promising ones, such as vanadium hexacyanochromate, remain sensitive to the environment, says Shenqiang Ren, a materials scientist at the University at Buffalo. “You have to test them in a glove box,” he says. Ren wanted to mix a molecular magnet with a printing resin with the hope that the plastic casing might protect the material from the open air.
Rodolphe Clérac, chercheur en chimie de coordination au Centre de recherche Paul Pascal (CRPP – CNRS et Université de Bordeaux ) nous parle de son projet de recherche ! Il est lauréat 2021 de la médaille d’argent du CNRS pour son travail sur la physique et la chimie des matériaux moléculaires magnétiques
Pour faire face aux besoins croissants en stockage de données informatiques les chimistes sont parvenus à stocker l’information binaire à l’échelle de molécules individuelles appelées « molécules-aimants ». Cependant, pour envisager leur insertion au sein de dispositifs, les molécules doivent pouvoir conserver l’information sans subir l’influence de celle portée par les voisines, ce qui nécessite de contrôler leur organisation au sein du matériau. Défi relevé par des scientifiques du Centre de recherche Paul Pascal (CNRS / Université de Bordeaux)et de l’Université de Canterbury en Nouvelle-Zélandequi montrent comment des caténanes magnétiques, structures mécaniquement imbriquées, permettent cette organisation de molécules-aimants au sein d’édifices complexes tridimensionnels. Ces résultats font l’objet d’une publication dans la revue Angewandte Chemie.
Comme son nom l’indique, une molécule-aimant est un aimant formé d’une seule molécule. Sous l’action d’un champ magnétique, son aimantation peut présenter deux états adressables. Il est possible de passer réversiblement d’un état à l’autre ce qui confère à cette molécule-aimant un effet mémoire. D’où l’intérêt des spécialistes du magnétisme moléculaire pour ces objets qui pourraient permettre dans le futur le stockage d’information binaire, voire quantique, à une échelle très réduite.
Au sein d’un même matériau ou d’un dispositif de stockage, chaque molécule-aimant doit être capable de conserver son état magnétique sans subir l’influence de celle de ses voisines, condition essentielle si l’on veut contrôler l’information stockée sur chaque molécule. Il est donc nécessaire de maîtriser leur organisation de manière à ce que l’on puisse assigner individuellement un bit d’information à une molécule-aimant donnée.
Aujourd’hui, on sait isoler les molécules-aimants les unes des autres en les déposant sur des surfaces. Mais, pour parvenir à une miniaturisation plus importante encore, il faut dépasser cet arrangement bidimensionnel pour atteindre une organisation tridimensionnelle, avec un contrôle parfait de l’arrangement des molécules dans les trois directions de l’espace.
Grâce à la flexibilité de la chimie de coordination,* des scientifiques du Centre de recherche Paul Pascal (CNRS / Université de Bordeaux) et de l’Université de Canterbury en Nouvelle-Zélande viennent de démontrer qu’il est possible d’organiser des molécules-aimants dans des constructions moléculaires d’une grande complexité, comme un caténane** résultant de l’auto-assemblage de 8 molécules-aimants à base d’ions cobalt(II). Cette architecture complexe en catenane présente deux carrés imbriqués l’un dans l’autre dont chaque sommet est une molécule-aimant isolée de ses voisines (figure ci-dessus). On peut donc penser que dans le futur, les chimistes de coordination pourront réellement répondre à n’importe quel type d’organisation nécessaire aux applications des molécules-aimants….
The 20 minutes website has also communicated on our article in The Conversation.
Des aimants légers et performants grâce à la chimie moléculaire…
Les aimants sont des matériaux présents dans de très nombreux objets de nos vies quotidiennes: ce sont par exemple des constituants essentiels de nos ordinateurs, des microphones, des moteurs électriques d’appareils ménagers ou même de turbines d’éoliennes. Pour certaines applications, comme dans les smartphones ou les satellites, ces aimants doivent être à la fois légers et de petite taille.
Les aimants sont généralement des solides constitués de métaux purs, d’oxydes métalliques ou d’alliages métalliques. Malgré leur utilisation intensive et leur énorme succès dans les applications technologiques, la production d’aimants pose des problèmes environnementaux et économiques. Certains éléments chimiques nécessaires à leur élaboration, comme les terres rares présents dans les aimants les plus puissants connus aujourd’hui, sont inégalement répartis sur la planète ou difficiles à isoler. De plus, la fabrication des aimants nécessite souvent des procédés réalisés à haute température qui consomment beaucoup d’énergie.
Afin de remédier à ces problèmes, les scientifiques essayent depuis environ 3 décennies de créer un nouveau type d’aimants en assemblant des molécules pour créer un édifice aux propriétés désirées. L’élaboration de tels assemblages moléculaires se fait à température ambiante, ce qui rend leur fabrication facile à reproduire et peu coûteuse. Cependant, il y a encore quelques mois, les performances des aimants moléculaires (température de fonctionnement, capacité d’attraction…) étaient encore très loin de celles des aimants conventionnels.
Récemment, dans une étude publiée dans Science, nous avons démontré qu’il est désormais possible d’obtenir des aimants moléculaires avec des caractéristiques comparables aux aimants conventionnels….
Rodolphe Clérac, Research Director at the Centre de Recherche Paul and head of the “Molecular Materials & Magnetism” team, received the 2021 Silver Medal from the CNRS. In 2000, he joined the IUT of Bordeaux 1 and the Centre de Recherche Paul Pascal, as an associate professor. He began his career focusing on the physical properties of fullerene salts and new molecular materials. In 2001, he brought together a new research team around molecular magnetic materials and introduced coordination chemistry at the Centre de Recherche Paul Pascal.
In 2002, he discovered the first single-chain magnets, which opened up a new research field in molecular magnetism. His work then focused on these new one-dimensional magnets, the organization of molecule-magnets into coordination networks and he widened his researches towards bi- and tri-stable molecule-based systems with intramolecular electron transfer or spin conversion in solution, in the solid state or liquid crystal phases. In 2008, he joined the CNRS becoming a full-time researcher, and then in 2013, he was promoted to research director. In 2020, he developed a new post-synthetic approach and obtain the first molecular magnets operating up to 242°C with a high coercivity at room temperature. This synthetic strategy offers broad prospects for the preparation of a new generation of lightweight magnets at high temperature. His projects are currently directed towards the synthesis of new multifunctional molecule-based materials containing redox-active sites in order to obtain high-performance magnets also possessing high electrical conduction, photoactivity or porosity allowing selective gas absorption.
Rodolphe Clérac is author and co-author of over 500 publications and has presented over 130 invited lectures. He was elected in 2019 to the European Academy of Sciences and in 2020 to the Academia Europaea. In 2014, he became a junior distinguished member of the Société Chimique de France and received various awards including in 2017 the France-Berkeley Fund Award, in 2014 the National Chinese Award for the “1000 Talents Program” and in 2009 the Young Researcher Award of the Division de Chimie Physique de la Société Chimique de France.
Contact: Rodolphe Clérac Centre de Recherche Paul Pascal, UMR CNRS 5031 “Molecular Materials & Magnetism” team 115 Avenue du Dr. A. Schweitzer, 33600 Pessac, FRANCE Phone: +33 (0) 5 56 84 56 50
“Substantial π-aromaticity in the anionic heavy-metal cluster [Th@Bi12]4−“,A.R. Eulenstein, Y.J. Franzke, N. Lichtenberger, R.J. Wilson, H. Lars Deubner, F. Kraus, R. Clérac, F. Weigend and S. Dehnen, Nature Chemistry, 13, 149-155, (2021) – 10.1038/s41557-020-00592-z – hal-03133022
See below different links, which discuss this work:
“Metal-organic magnets with large coercivity and ordering temperatures up to 242°C”, Science, Vol. 370, Issue 6516, pp. 587-592, (2020) – 10.1126/science.abb3861 – Abstract – Reprint – Full text
Magnets are to be found everywhere in our daily lives, whether in satellites, telephones or on fridge doors. However, they are made up of heavy inorganic materials whose component elements are, in some cases, of limited availability.
Now, researchers from the CNRS, the University of Bordeaux and the ESRF (European Synchrotron Radiation Facility in Grenoble) have developed a new lightweight molecule-based magnet, produced at low temperatures, and exhibiting unprecedented magnetic properties. This compound, derived from coordination chemistry, contains chromium, an abundant metal, and inexpensive organic molecules. This is the first molecule-based magnet that exhibits a ‘memory effect’ (i.e. it is capable of maintaining one of its two magnetic states) up to a temperature of 240°C. This effect is measured by what is known as a coercive field, which is 25 times higher at room temperature for this novel material than for the most efficient of its molecule-based predecessors. This property therefore compares well with that of certain purely inorganic commercial magnets. The discovery, published on 30 October in Science, opens up highly promising prospects, which could lead to next-generation magnets complementary to current systems.
Reference & authors: P. Perlepe, I. Oyarzabal, A. Mailman, M. Yquel, M. Platunov, I. Dovgaliuk, M. Rouzières, P. Négrier, D. Mondieig, E. A. Suturina, M.A. Dourges, S. Bonhommeau, R. A. Musgrave, K. S. Pedersen, D. Chernyshov, F. Wilhelm, A. Rogalev, C. Mathonière, R. Clérac, “Metal-organic magnets with large coercivity and ordering temperatures up to 242°C”, Science, Vol. 370, Issue 6516, pp. 587-592, (2020) – 10.1126/science.abb3861 – Abstract – Reprint – Full text
Acknowledgments: This work was supported by the University of Bordeaux, the Région Nouvelle Aquitaine, Quantum Matter Bordeaux, the Basque Government, the University of the Basque Country, the Villum Fonden, the University of Jyväskylä, the Academy of Finland, the Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) and the ESRF-The European Synchrotron.
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