MOLEKÜLER AOMAYETİZMA ARAŞTIRMA GRUBU Moleküler ve nano-ölçek seviesinde mükemmel üksek oğunluklu çok küçük bilgi depolama cihaları gibi ugulama alanlarına sahip olan Tek Molekül Magnetler (MM), kuantum bilgisaarlarının gelecekteki ugulamaları için kuantum mekanimasının olağanüstülüğünden dolaı temel olarak ilginçtirler. Araştırma grubumu Tek Molekül Magnet (MM) gibi ilginç manetik öellikler gösteren molekül tabanlı malemelerin haırlanması, kristal apı ve manetik öelliklerinin incelenmesi ve teknolojik ugulamalarının araştırılması üerine çalışmaktadır Bilindiği gibi bütün maddeler atomlardan oluşmuştur. Öelliklerini de atomlarının diilişlerinden alırlar. Atomları hareket ettirebilecek boutlarda aletler geliştirilebildiği takdirde, doğadaki atomik diilim taklit edilerek her şe kopalanabilir. Çünkü maddeleri farklı kılan; en küçük birim olan atomların diilişlerindeki çeşitliliktir. Atomları hareket ettirebilecek bir teknoloji de bu çeşitliliğe bir ölçüde ulaşabilir. ögelimi kömür moleküllerindeki atomları düenleebilirsek anı moleküllerin farklı bir diilimi olan elmas elde edebiliri. Tıpkı ap-bo oununda parçaların birleştirilerek istenen şeklin oluşturulması gibi, nanoteknolojide de atomlar vea moleküller tek tek alınıp hassas şekilde birleştirilerek istenen ürün elde edilir. Burada ap-bo parçacıklarını Tek Molekül Magnetlere (MM) benetebiliri. Birbirile uumlu apılar bir araa getirilerek amaçlanan öellikteki apıa ulaşılabilir. Tek Molekül Magnetlerin İlgi Çekici Öellikleri; Şu an bilgi depolamada kullanılan magnetik parçacıklardan çok daha küçüktür. Her bir molekül çok küçük magnetik parçacık olarak düşünülebilir. Bilgi belleklerinde, üksek oğunluklu bilgi depolama cihaı olarak kullanılabilir. Moleküler seviede klasik süperparamanetik nanoparçaçıklar ile karşılaştırıldığında ligand, metal, merke metal üerinde redoks aktivitesi v.b gibi öelliklerde değişim aparak kimasal olarak ugun hale getirilebilmektedir. u ve beneri organik çöücülerde çöünmeleri gelecekteki teknoloji ugulamaları açısından önemlidir. İlk MM Tünel Mekaniması Magnetik histerisi İlk (MM) Tek Molekül Magnet, George Christou ve çalışma grubu tarafından keşfedildi ve 26 Mart 2000 tarihinde cience Dail de duuruldu. Manetik hafıa etkisi magnetik histerisis ile birlikte gölenir. Bu etki sıradan manetik malemelerde olduğu gibi tüm malemenin değil sadece iole molekülün öelliğidir. = 10 50 10 3 10 6 ingle Molecule Magnetic Protein 1 nm 2 nm Cluster 3 nm anoparticle 20 nm Tek Molekül Magnetler (MM), manetik alan varlığında mıknatıslık öelliği gösteren ve bu alan ortadan kaldırıldığında bile mıknatıslık öelliğini koruan moleküllerdir. Tek Molekül Magnetler (MM) kuantum ve klasik arasındaki sınırda er alırlar. Klasik magnetler gibi manetik depolama için kullanılırlar, kararlıdırlar ve düşük sıcaklıkta histerisi gösterirler. Tek Moleküler Magnetler (MM) Bilgi Teknolojisi İçin Yeni Kapı Açıor. Bugünlerde dijital bilginin DVD ler ve diğer aletlerde depolanmasını sağlaan manetik parçacıklardır. Hard disk a da diğer aletlerde verilen bir alandaki bilgi miktarının artırılması anlamına gelen bilgi depolama kapasitesini artırmak isteen şirketler bu parçacıklara büük ilgi göstermektedir. Verilen bir alanda daha fala dijital bilgi saklamak için, her bir manetik parçacık daha küçük olmalıdır. Anı davranışlar sergilemeleri için parçacıklar anı boutta olmalıdır 1
Gelişen teknoloji sabit disklerin boutlarını küçültmüş ve bilgi saklaabilme eteneklerini arttırmıştır. Birkaç megabat büüklüğündeki ilk örneklerin erini TB kapasiteli veri saklaabilmekte olanları almıştır ve her geçen ıl bu artmaktadır. Tek Moleküler magnetler (MM) Atomikölçekte Bilgisaarlar İçin Büük Potansieldir. Hiç kimse kuantum bilgisaarlarının nasıl apılacağını bilmior, fakat FÜTÜRİTLER (geleceği tahmin edenler) her kim bunu başarırsa U.. askerienin en or kodlarını birkaç dakikada kırabilecek, fiik, meteoroloji ve astronomideki aşılma problemleri çöebilecek ve mikroskobik ölçekte bilgisaarların mümkün olacağını sölüorlar. Bugünün U.. askerienin kodlarını kırmak çok aman alır fakat bu kuantum bilgisaarları ile çok kısa bir iştir. Astronomlar kuantum bilgisaarları kullanarak gökcisimleri arasındaki çekim kuvvetlerinin etkileşimini çok daha ii hesaplaabileceklerdir. Kuantum bilgisaarlarının büük işlem gücü Afrika rügârlarının fısıltılarından a daha fala olduğunda kasırgaların ollarını tahmin etmekte kullanılabilecektir. Herşe manetikdir Doğal anomagnetler asıl? Ferritin Magnetosomes 2
Ferritin Yetişkinlerdeki demir miktarı aklaşık 3-5 gr arasında değişir. Oksijenin vücut içinde dolaşımı için vageçilme bir mineraldir. Vücudumudaki demirin aklaşık %25 i ferritine proteinine bağlanarak depolanır. Ferritine havanlarda sebelerde ve mantarda bulunur. Magnetotactic Bakteri Magnetosomes Magnetite in magnetosomes Fe 3 O 4 35-120 nm Magnetosomes ların diğer kullanıcıları İLK IGLE MOLECULE MAGET (MM) - Mn 12 -acetate Diğer MM ler March 27, 2000 Bir kaç eni ingle-molecule Magnets Keşfedildi BLOOMIGTO, Ind. -- everal new single-molecule magnets have been discovered b George Christou, James H. Rud Professor of at Indiana Universit, and his research group. Christou will report his results on March 26 at the meeting of the American Chemical ociet in an Francisco. ingle-molecule magnets (MMs) have man important advantages over conventional nanoscale magnetic particles composed of metals, metal allos or metal oides. These advantages include uniform sie, solubilit in organic solvents, and readil alterable ligands, among others. Magnetic particles are how digital information is currentl stored on, DVDs and other devices. There is great interest b companies in increasing the densit of information storage, which means increasing the number of bits of information in a given area of hard drive or other device. To get more digital information in a given area, each magnetic particle must be smaller. The sie of the particles must also be the same so the will behave the same. "Currentl it is a problem to make reall small, nanoscale magnetic from iron, iron oide, or the other magnetic materials known to date," Christou said. "M group makes molecules containing the metal manganese. These molecules are much smaller than the magnetic particles currentl used in information storage, but nevertheless are magnets at low temperatures. o each molecule can be considered an ultra-small magnetic particle, and this promises access to the ultimate high-densit information storage devices." IBM last ear reported a new hard-drive record of 3 gigabits (3 billion bits) of digital information in one square centimeter of area using a known cobalt magnetic material. "The much smaller sie of our molecules means we could get 30,000 billion of them into one square centimeter, and thus a storage densit of 30,000 billion bits (or 30 terabits) is feasible. This is 10,000 times greater than the current best b IBM. The research challenge now is to find better MMs that function at higher temperatures," Christou said. 3
MMs çok önemli avantajlara sahiptir. Organik çöeltilerde çöünürlük, uniform sie.. Şu an problem Fe, FeO vb şimdie kadar bilinen magnetik materallerden daha küçük maleme apmaktır. MMs şu an bilgi depolamada kullanılan magnetik parçacıklardan çok daha küçüktür. Fakat bunlar düşük sıcaklıkta magnettirler. Her bir molekül çok küçük magnetik parçacık olarak düşünülebilir. MM mükemmel üksek oğunluklu bilgi depolama cihaı olarak düşünülebilir. IBM 1cm 2 lik alanda 3GB lık dijital bilgii kadeden hard disk üretmiştir. MMs 1cm 2 lik alana 30,000 GB lık digital bilgii depolaabilir. Bu IBM inkinden 10,000 ke daha büüktür. The research challenge now is to find better MMs that function at higher temperatures," makroskobik Atomik vea moleküler «merak edilen» makroskobik Atomik vea moleküler «merak edilen» metre mole nano metre 1 / 1 000 000 000 = 10-9 10-9 molekül 10 +23 1 Lewis Carroll, Through the looking-glass, Penguin Books, London, 1998 Illustrations b John Tenniel makroskobik Atomik vea moleküler «merak edilen» Makroskobik «geleneksel, klasik» mıknatıslar macro quantum makro 4
Makroskobik Manetik akı konusundaki ilk Öncü dene Farada tarafından apılmıştır. «Farada kuvvet çigileri» makro Courtes Prof. Peter Da, the RI ; ee also : The Philosopher s Tree,The Institute of Phsics Publishing, Bristol, 1999) Courtes Prof. Frank James, the RI M. Faradaın manetima labaratuvar M. Farada laboratuvarında çalışırken Courtes Prof. Frank James, the RI Courtes Prof. Frank James, the RI Makroskobik «geleneksel, klasik» mıknatıslar Makroskobik «geleneksel, klasik» mıknatıslar çekme itme macro macro 5
3/19/2014 Makroskobik Manetik domeinlere daha akın bakarsak Fiik : Macroscopic Mesoscopic anoscopic kalıcı mıknatıslar Mikron Parçacıklar ano parçacıklar Kümeler Moleküler kümeler Tek spinler = 10 20 10 10 10 8 10 6 10 5 10 4 10 3 10 2 10 1 Pek çok domein seti Pek çok set Atomik manetik momentler çoklu - domain nucleation, propagation and annihilation of domain walls 1 makro 1 Tek domain uniform rotation curling manetic moment Kunatum tünellemesi quantiation quantum interference 1 Fe 8 0.7K kuantum 0 0 0 makro kuantum -1 M/M -1 M/M -1 M/M 1K 0.1K -40-20 0 20 40 H(mT) -100 0 100 H(mT) -1 0 1 H(T) Haır! Haır! İlk keşifler demiş the Grphon sabırsı bir ses tonu ile: açıklamalar korkunç aman alacak Günlük aşam ararlı mıknatıslar ile doludur. bunlar geleneksel biçiminde üç boutlu katı, oksitler, metaller ve alaşımlar şeklindedir. makro Mıknatıslar Domainler Küri sıcaklığı Lewis Carroll, Alice s Adventures in Wonderland, Penguin Books, London, 1998 Illustrations b John Tenniel Curie sıcaklığında manetik momentlerin diilimi Manetik düenleme : ferro-, antiferro- and ferri-manetisma Bir set molekül / atomlar : T C Ferromanetima : Manetik momentler anıdır ve paraleldirler Katı, Manetik düenleme Termal uarılma (kt) moleküller arasındaki etkileşme (J) den daha aıftır. kt << J kt J Manetik düenleme sıcaklığı vea Curie sıcaklığı Paramanetik katı: Termal uarılma (kt) moleküller arasındaki etkileşme (J) den daha büüktür. kt >> J + = Antiferromanetima : Manetik momentler anıdır ve Anti-paraleldirler + = 0 Ferrimanetima (éel) : Manetik momentler farklıdır ve Anti-paraleldirler + = 6
ano-parçacıkların manetiasonu ano-parçacıkların manetiasonu MicroQUID, 4 K 1 4 K MicroQUID, 4 K 1 4 K Kalıcı mıknatıslanma M/M s 0.5 0-0.5-1 A50 irradiation with white light 0 min 1 min 5 min 20 min 30 min 70 min 100 min 3 h 4 h 12 h -1-0.5 0 0.5 1 0 H (T) M/M s 0.5 0-0.5-1 A50 Coercive Field irradiation with white light 0 min 1 min 5 min 20 min 30 min 70 min 100 min 3 h 4 h 12 h -1-0.5 0 0.5 1 0 H (T) (A. Bleuen, W. Werndorfer) (A. Bleuen, W. Werndorfer) «O bir ışıma aacak gibidi, bir iç angın, ve bu manetimaa daanamıorum Manetima moleküllere nasıl gelir? fark elektronlarla üleşmektir Fernande Olivier, Loving Picasso, H.. Abrams Publishers, ew York, 2001, p.139 Manetimanın orijini Manetimanın orijini kuantum elektron Ben bir elektronum kütle, m e, ük, e -, manetik moment µ B Herşe, küçük, ve temel Fakat çekirdek manetimasınıda unutmaın! «Orbital» manetic moment «Intrinsic» pin den kanaklanan manetic moment µ orbital s = ± 1/2 µ e - spin µ orbital = g l µ B µ spin = g s µ B s µ B kuantum µ toplam = µ orbital + µ spin 7
Manetimanın orijini Moleküllerde Dirac Equation elektronlar * -atomlarda -moleküllerde The Principles of Quantum Mechanics, 1930 (E'+e 1 2m p + e c A eh 2mc A- p eh 8m c 8m c eh p ] 4m c 1905 obel Prie 1933 1928 kuantum * Çekirdek manetimasını unutmadan http://www-histor.mcs.st-and.ac.uk/histor/pictdispla/dirac.html Representations, Models, Analogies When I use a word, Humpt Dumpt said, it just means what I choose it to mean neither more nor less Elektron : parçacık ve dalga dalga fonksionu vea «orbital» n, l, ml l = 0 1 2 3 The question is, said Alice, whether ou can make words mean so different things The question is, said Humpt Dumpt, which is to be master that's all. s p,,,, d Lewis Carroll, Through the Looking-Glass, Penguin Books, London, 1998 Illustrations b John Tenniel Açısal gösterim Elektron : enerji seviesi de vardır. Electron : spini de vardır! Enerji diagramı Orbitaller Boş ingl doldurulmuş ukarı aşağı ingl doldurulmuş «Paramanetik» = ± 1/2 Doubl doldurulmuş «Diamanetik» = 0 Doubl doldurulmuş š* R O C O itrogen Monode O itronlnitrode O C š* O 8
Benerlik : pin ve ok Maa sında pin? Paul Klee, Théorie de l art, Denoël, Paris An Isolated pin Umal, Palacio del Gobernador, Maab, Yucatan, Jul 2004 Molecules sürekli nefes aldığımı diogen bir manetik moleküldür Dihdrogen u 2 E O A O-O O B orthogonal π molecular orbitals 1 2 p p p paramagnetic, spin =1 diamagnetic pin = 0 g 1 Elektronlarının ikisi paralel manetik momentlere sahiptir, bu aerobic aşamı şekillendirir ve biim insan olarak varlığımıa ve aşamamıa iin verir. diogen uarılmış durumda olduğu aman bir singlet (spin =0) durum da olabilir ve garip bir tepkime baen ararlı (glow-worm ) görünür. Daha karmaşık bir moleküler çerçeveler; 5 (3d için) ada 7 (4f için) elektrona kadar manetik momentleri ada spinleri olan moleküllerden ada geçiş metallerinden oluşan metal kompleksleri olarak adlandırılır. makro Paramagnetic O 2 Luminol Light 9
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 s Elements p Elements H He Geçiş elementleri Li Be B C O F e d Elements : transition a Mg Al i P Cl Ar K Rb Cs Fr Ca r Ba c Ti V Cr Mn Fe Co i Cu Zn Y Ra Ac Zr b MoTc Ru Rh Pd Ag Cd La Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Ce Th f Elements In Ge n Pb As b Bi e Te Po Pr d Pm m Eu Gd Tb D Ho Er TmYb Pa Ga Tl U p Pu Am CmBk Cf Es Fm Md o Br I At Lu Lr Kr Xe Rn E 5 d orbitals Unpaired Electrons Partial Ocupanc Paramagnetism Conductivit 44,956 c 21 88,906 47,867 Ti 22 91,224 50,942 V 23 92,906 51,996 Cr 24 95,94 54,938 Mn 25 98,906 55,845 Fe 26 101,07 58,933 Co 27 102,91 58,693 i 28 106,42 63,546 Cu 29 107,87 65,39 Zn 30 112,41 Y 39 138,91 Zr 40 178,49 b 41 180,95 Mo 42 183,84 Tc 43 186,21 Ru 44 190,23 Rh 45 192,22 Pd 46 195,08 Ag 47 196,97 Cd 48 200,59 La Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg 57 72 73 74 75 76 77 78 79 80 2-2 2 kuantum Tek çekirdekli kompleks ML 6 L L M L L L L Enerji sevielerinin Arılması E Enerji seviesinin arılması ne kadar büüktür? Zaıf Alan Yüksek spin L = H 2 O [C 2 O 4 ] 2-? Orta Alan ıcaklığa Bağlı pin Cross-Over ² oct Güçlü Alan Düşük spin L = C- 2-2 2 e g t 2g Geçiş metal kompleksleri genellikle d orbitallerinin arılmasına bağlı olarak çok güel renklidirler. h Hareket eden spinlerin ve atlaan elektronların hikaesi macro u içindeki renkler Geometrideki değişimler pindeki değişimleri 10
İki Mavi Çöelti [Co II (H 2 O) 6 ] 2+ + Methlene Blue KC + Methlene Blue bir sarı çöelti mavi + mavi = sarı! [Co III (C) 6 ] 3- + Methlene Reduced Colorless [Fe II (H 2 O) 6 ] 2+ pale green Low spin, chiral, Fe II (bipridine) 3 ] 2+ =2 Fe II (o-phen) 3 ] 2+ bright red =0 11
Ligandlarla onaarak pin durumunu kontrol edebiliri Moleküllerden malemelere ve cihalara... O. Kahn, C. Ja and ICMC Bordeau (A) E (B) ² oct (C) M T / cm 3 mol -1 Rouge Red T C T C Blanc White T / K 250 300 350 (D) (E) (F) From J.F. Letard, ICMC Bordeau O. Kahn, Y. Garcia, Patent Daha ileri gidelimmi ve molekuler magnet leri düşünebiliri düşük oğuluk, biolojik uumlu sadam vea renkli magnetler? 12