W latach 60-tych XX wieku Gordon Moore, jeden z założycieli firmy Intel zauważył, że liczba tranzystorów podwaja się co około 18 miesięcy. Zależność ta, zwana prawem Moore’a, zadziwiająco poprawnie opisuje postęp komputeryzacji aż po czasy obecne. Szacuje się, że moc obliczeniowa współczesnych komputerów podwaja się co około 24 miesiące.
Elektronika użytkowa jest nieodłączną częścią naszego życia. Rozwój rynku urządzeń elektronicznych jest związany z wszechogarniającą komputeryzacją i automatyzacją, a także modą – wszelkiego typu gadżety elektroniczne można śmiało nazwać wizytówką cywilizacji XXI wieku. Współczesny człowiek jest coraz bardziej uzależniony od korzystania z inteligentnych urządzeń elektronicznych, a komputery są obecne niemal w każdej dziedzinie życia: zastępują człowieka w pracy, zapewniają bezpieczeństwo, służą do komunikacji i rozrywki.
Na początku był… magnetyzm
Do przechowywania informacji na dyskach twardych komputerów wykorzystuje się magnetyzm: podczas zapisu cząstki materiału magnetycznego na powierzchni dysku zostają odpowiednio namagnesowane. Dynamiczny rozwój rynku elektronicznego wymusza poszukiwanie nowych, efektywnych materiałów magnetycznych, umożliwiających budowę zaawansowanych komputerów o coraz lepszych parametrach.
Ale czy w erze ultraszybkich komputerów i układów scalonych o rozmiarach nanometrów istnieje możliwość dalszej miniaturyzacji urządzeń elektronicznych przy jednoczesnej poprawie parametrów ich pracy? Gdzie leży granica?
Magnes magnesowi nierówny
Materiały magnetyczne są jednym z głównych komponentów urządzeń elektronicznych. Istnieje kilka typów magnetyków, a wśród nich najpowszechniej stosowane są ferromagnetyki, czyli te, które charakteryzują się spontanicznym, własnym namagnesowaniem. Magnetyzm ferromagnetyków wynika z obecności w ich strukturach tzw. domen magnetycznych. Pod koniec XX wieku olbrzymie zainteresowanie naukowców wzbudził tzw. magnetyzm molekularny. Magnetyki molekularne to klasa materiałów, które wykazują właściwości magnetyczne na poziomie cząsteczkowym i zachowują się podobnie do ferromagnetyków. Charakter molekularnych materiałów magnetycznych wynika z właściwości pojedynczych cząsteczek, a nie struktury krystalicznej. Magnetyki molekularne wykazują interesujące cechy, tj. małą gęstość, bistabilność spinową (współistnienie stanu paramagnetycznego i ferromagnetycznego), multifunkcjonalność (istnienie kilku specyficznych, korzystnych właściwości fizycznych). Jedną z ciekawszych właściwości magnetyków molekularnych jest światłoczułość. Materiały takie mogą znaleźć zastosowanie do budowy pojemnych nośników pamięci w systemach bezpieczeństwa. Nośnik wystawiony na działanie światła ulegnie fotolizie, zapewniając tym samym bezpowrotne zniszczenie zapisanych danych. Ma to ogromne znaczenie w przypadku nieupoważnionego przejęcia nośnika z cennymi/wrażliwymi danymi. Inną interesującą cechą magnesów molekularnych jest możliwość przełączania stanów magnetycznych za pomocą czynników zewnętrznych (np. zmiana temperatury, ciśnienia lub wilgotności). Magnetyki molekularne wykazują ponadto „efekt pamięci”: materiał „wie”, czy został wcześniej ogrzany czy schłodzony.
Można zatem postawić pytanie: dlaczego pomimo tak atrakcyjnych właściwości zastosowanie magnetyków molekularnych jest ograniczone?
Ciepłolubne ferromagnetyki molekularne
Ferromagnetyki zachowują swoje właściwości do tzw. temperatury Curie (TC, tzw. temperatura uporządkowania), natomiast powyżej TC stają się paramagnetykami. Większość molekularnych materiałów magnetycznych nie wykazuje właściwości ferromagnetycznych powyżej 0°C, co jest zasadniczą barierą z punktu widzenia ich praktycznego zastosowania. Badacze z Wydziału Chemii Uniwersytetu Jagiellońskiego opracowali magnetyczne materiały molekularne na bazie kompleksów metali z ligandami cyjanowymi, które wykazują właściwości ferromagnetyczne w temperaturze pokojowej. Taki rodzaj materiałów jest korzystny do przechowywania magnetycznego, obliczeń kwantowych czy spintroniki molekularnej. Chemikom z UJ udało się otrzymać molekularne materiały magnetyczne nie tylko w formie ciała stałego, ale również w postaci jednorodnej cieczy o właściwościach ferromagnetycznych. Dzięki unikatowym właściwościom umożliwiającym dalszą miniaturyzację i poprawę parametrów elektroniki użytkowej, ferromagnetyki molekularne z UJ będą mogły znaleźć zastosowanie także w szeregu innych dziedzin, np. w medycynie (nośniki leków, czujniki, detektory – miniaturyzacja sprzętu), przemyśle kosmicznym (np. uszczelniacze magnetyczne), komunikacja (komputery kwantowe), transformatory GHz, tłumiki drgań, głośniki, soczewki magnetyczne, wzmacniacze, przemysł obronny (osłony magnetyczne).
Powyższe rozwiązanie będzie prezentowane na wydarzeniu DemoDay, które odbędzie się w marcu 2023 roku w Krakowie. Więcej szczegółów wkrótce na stronie www.cittru.uj.edu.pl.
Materiały do powyższego artykułu zostały dostarczone przez Uniwersytet Jagielloński
