Найден способ быстрого анализа количества электронов в молекуле

Российские ученые нашли новый способ быстро определять количество неспаренных электронов в молекуле. Изменение этого параметра позволяет менять свойства вещества, поэтому возможность быстрого его определения открывает большие перспективы. В частности, это касается соединений с возможностью управления электронными переходами: их можно применять в создании дисплеев и сенсоров. Работа опубликована в журнале Inorganic Chemistry. Исследование поддержано Президентской программой исследовательских проектов Российского научного фонда (РНФ).

"Использование метода позволяет за короткое время проанализировать целую библиотеку комплексов металлов, образованных различными органическими соединениями и их комбинациями. За счет этого можно существенно ускорить поиск новых соединений со спиновыми переходами, что открывает широчайшие возможности для их направленного дизайна в качестве молекулярных дисплеев, сенсоров или логических элементов", — прокомментировал Валентин Новиков, руководитель проекта по гранту РНФ, доктор химических наук, ведущий научный сотрудник Института элементоорганических соединений имени А. Н. Несмеянова Российской академии наук.

Одной из основных задач современной науки стал поиск молекулярных материалов, свойства которых можно легко изменять. Это важно для самых разных областей: от медицинской диагностики до создания квантового компьютера. Сейчас в качестве таких материалов используются переходные металлы. В них появляются электроны на траекториях движения частиц (орбиталях) d- и f-подуровней, которые слегка удалены от ядра атома и обладают меньшей энергией, чем более приближенные s- и p-. Также они часто обладают переменной валентностью – способностью формировать определенное количество связей с атомами, – что позволяет им легко образовывать комплексные соединения.

Важная особенность существующих комплексов переходных металлов – это то, что их электроны способны менять свое спиновое состояние – физический показатель, который характеризует количество электронов в молекуле, не образующих пары. Среди веществ с такой особенностью наиболее распространены железо и кобальт. Спиновое состояние можно изменять с помощью внешних воздействий, таких как свет, температура и давление. Это позволяет настраивать характеристики вещества. Некоторые из них видны невооруженным глазом, например цвет. На основе соответствующих материалов можно создавать различные устройства, среди которых дисплеи и сенсоры. В последнее время такие соединения начали использовать также в составе средств для сверхплотного хранения и сверхбыстрой обработки информации.

Российские ученые из Института элементоорганических соединений имени А. Н. Несмеянова Российской академии наук (Москва) нашли способ быстрого определения спинового состояния ионов металла при помощи спектроскопии ядерного магнитного резонанса (ЯМР). Это один из наиболее распространенных методов исследования новых химических веществ, который основан на изучении взаимодействия вещества с электромагнитной энергией. Спектроскопию ЯМР ученые используют для определения спинового состояния уже больше 50 лет. Суть метода Эванса, как называется этот подход, такова: изучаемое вещество добавляют в какой-либо растворитель, в результате магнитные характеристики растворителя меняются, что регистрируют при помощи ЯМР-спектрометра. Эти изменения зависят от концентрации вещества и количества в нем электронов без пары. Таким образом, ученые смотрят не на само изучаемое вещество, а на то, как оно изменяет свойства растворителя. У этого метода есть несколько серьезных недостатков. Во-первых, он требует от исследователей знать точную концентрацию изучаемого соединения. Во-вторых, при таком подходе невозможно изучать смеси. Новый метод, описанный в новой статье, позволяет избавиться от этих проблем.

Их подход отличается тем, что с помощью ЯМР-спектрометра они изучали непосредственно само вещество. Это сложнее, так как у него необходимо проанализировать большее количество сигналов, чем у раствора, у которого он может быть всего один. Но за счет этого можно получить много информации о целевом веществе. Для проверки метода на практике ученые использовали растворы комплексов металла. К ионам кобальта добавили лиганды — вещества, прикрепленные к комплексообразующему металлу. При помощи ЯМР ученые определили спиновое состояние ионов металла и обнаружили, что в некоторых из соединений кобальта с органическими частицами-лигандами оно меняется под действием температуры. Результаты подтвердили, что с помощью спектроскопии ЯМР можно легко и быстро определять спиновое состояние ионов металла сразу в нескольких соединениях. Знать точную концентрацию изучаемого вещества при этом не нужно. Благодаря этому оказывается возможным за несколько часов получить информацию о соединении, в том числе о том, возможно ли переключить спиновое состояние с помощью внешних воздействий и обратим ли этот процесс.