Naukowcy dokonali przełomowego odkrycia w dziedzinie chemii koordynacyjnej i materiałoznawstwa. Zespół kierowany przez naukowców z Uniwersytetu Jagiellońskiego wraz z partnerami z Europy odkrył prosty związek koordynacyjny, który można odwracalnie przełączać przy użyciu światła. Wyniki badań właśnie ukazały się w prestiżowym czasopiśmie Nature Communications. To odkrycie otwiera drogę do opracowania fotoprzełączalnych nanomagnesów działających w temperaturze pokojowej, z potencjalnym zastosowaniem w inteligentnych materiałach, czujnikach magneto-optycznych oraz molekularnej pamięci masowej.
Fotoprzełączalne materiały – jak działają?
Zjawisko fotoprzełączania opiera się na zdolności cząsteczek do absorpcji światła i przechodzenia w stan wzbudzony. W tym stanie ich właściwości chemiczne i fizyczne mogą ulec czasowej zmianie. Takie procesy są naturalnie obecne w przyrodzie, np. w fotosyntezie, konwersji energii słonecznej czy fotokatalizie. Choć stan wzbudzony jest zwykle krótkotrwały, w niektórych systemach można go „zamrozić” na tygodnie lub nawet miesiące, zanim powróci do stanu podstawowego. Materiały te określane są mianem fotoprzełączalnych, a ich potencjał obejmuje nie tylko pozyskiwanie energii i magazynowanie informacji, lecz także projektowanie leków aktywowanych światłem.
Dotychczas większość badań skupiała się na cząsteczkach organicznych. Choć wiele z nich reaguje na światło, rzadko obserwowano w nich zmianę właściwości magnetycznych. Z kolei niektóre związki nieorganiczne wykazują przejścia spinowe, jednak efekt ten zanika w bardzo niskich temperaturach, rzędu -200 stopni Celsjusza, co ograniczało ich zastosowanie praktyczne.
Cyjanometalany – klucz do magnetyzmu w temperaturze pokojowej
Najnowsze badania pokazały, że fotochemiczne właściwości cyjanometalanów mogą przesunąć obserwowane efekty do znacznie wyższych temperatur. Zespół naukowców z Uniwersytetu Jagiellońskiego, we współpracy z Uniwersytetem w Bordeaux, Europejskim Ośrodkiem Synchrotronowym ESRF oraz pięcioma innymi europejskimi instytucjami, odkrył związek, który można odwracalnie przełączać światłem w pojedynczym krysztale.
Jak wyjaśnia dr hab. Dawid Pinkowicz, autor korespondencyjny publikacji: „Nikt z nas nie przypuszczał, że to faktycznie może się udać. Kilka lat temu, analizując doniesienia dotyczące reakcji fotodysocjacji w związkach kompleksowych, zorientowaliśmy się, że istnieje szansa na tego typu fotoprzełączanie. Celem projektu LUX-INVENTA, sfinansowanego przez Narodowe Centrum Nauki i grant ERC, jest uzyskanie magnesów aktywowanych światłem widzialnym w temperaturze pokojowej w oparciu o reakcje fotodysocjacji.”
Jak działa odkryty fotoprzełączalny kryształ?
Badacze pokazali, że kryształy heptacyjanomolibdenianu potasu umożliwiają odwracalne i kolektywne zrywanie oraz odtwarzanie wiązania metal–cyjanek. Wystawienie kryształu na światło fioletowe powoduje zerwanie wiązania, natomiast światło czerwone przywraca je, bez uszkodzenia struktury kryształu. Ten proces zmienia moment magnetyczny centrum metalicznego w rekordowo wysokich temperaturach, otwierając drogę do projektowania materiałów fotomagnetycznych, w których właściwości magnetyczne można sterować światłem.
Odkrycie ma ogromny potencjał technologiczny. Pozwala myśleć o tworzeniu molekularnych pamięci masowych i sensorów magneto-optycznych, w których dane mogą być zapisywane i odczytywane przy użyciu światła, zamiast tradycyjnych metod elektrycznych czy magnetycznych. Dzięki możliwości działania w temperaturze pokojowej, rozwiązania te mogą znaleźć zastosowanie w realnych urządzeniach i systemach.
Znaczenie naukowe i przyszłe kierunki badań
To odkrycie jest przełomem nie tylko dla chemii koordynacyjnej, lecz także dla fizyki materiałowej i nanotechnologii. Pokazuje, że proste związki koordynacyjne mogą wykazywać złożone właściwości fotoaktywne i magnetyczne w warunkach zbliżonych do codziennych.
W przyszłości naukowcy planują dalsze badania nad rozszerzeniem tej technologii na inne metale i ligandy, optymalizację szybkości i trwałości przełączania oraz integrację w urządzeniach magnetycznych. Możliwość sterowania magnetyzmem światłem może zrewolucjonizować projektowanie inteligentnych materiałów, zwiększyć wydajność magazynowania danych oraz stworzyć nowe typy czujników i układów fotomagnetycznych.
Podsumowanie
Odkrycie zespołu z Uniwersytetu Jagiellońskiego dowodzi, że światło może stać się precyzyjnym narzędziem do kontrolowania właściwości magnetycznych materiałów. Rewolucyjna koncepcja fotoprzełączalnych nanomagnesów działających w temperaturze pokojowej otwiera drogę do nowej generacji inteligentnych materiałów, które mogą znaleźć zastosowanie w technologii, medycynie i energetyce. To dopiero początek ery fotomagnetyzmu, w której światło staje się kluczem do sterowania magnesami w skali molekularnej.
