ホスト?ゲスト間電子移動の制御による磁石スイッチ 新たな電子状態変換機構に基づく磁気相変換に成功

ホスト?ゲスト間電子移動の制御による磁石スイッチ新たな電子状態変換機構に基づく磁気相変換に成功

2022年3月15日 14:00 | プレスリリース?研究成果

【本学研究者情报】

〇金属材料研究所　教授　宮坂等

【発表のポイント】

ヨウ素の吸脱着により反强磁性体と常磁性体间を繰り返し変换可能な多孔性材料の开発に成功しました。
ホスト骨格と吸着分子が直に电子の授受を行う机构に基づく磁気相変换を世界で初めて実现しました。
化学的刺激により駆动する分子デバイスの新たな駆动原理として期待されます。

【概要】

近年、従来の磁性体では実現不可能であった機能性の発現などの「磁石の高機能化」が求められるようになっています。東北大学学際科学フロンティア研究所の張俊助教と東北大学金属材料研究所の高坂亘助教、宮坂等教授の研究グループは、大阪大学大学院基礎工学研究科の北河康隆准教授と共に、ヨウ素を吸着させることで、反強磁性相から常磁性相へと変換可能な新たな多孔性材料の開発に成功しました。

今回开発された材料は分子性多孔性材料^*1の一种で、层状构造の层の间にジクロロメタンやヨウ素などの小分子を出し入れできるのが特徴です。この分子性多孔性材料は反强磁性体^*2と呼ばれる磁気秩序^*3を持つ磁石の一种ですが、ヨウ素を吸着させると磁石ではなくなる（常磁性状态）^*4ことを确认しました。逆にこの材料は、真空加热処理でヨウ素を脱离させることで元の状态へと戻ります。本现象は、吸着されたヨウ素分子が分子格子から电子を受け取ることで、分子格子の电子状态を変化させ、磁気秩序を持たない状态になることで生じたものです。吸着分子とホスト骨格の间で电子の授受を直接行うことで駆动する可逆磁気相変换は世界初で^*5、化学的刺激により駆动する分子デバイスの新たな駆动原理の一つとして今后の発展が期待できます。

本研究成果は、2022年2月21日付け（現地時間）でドイツ化学会誌「Angewandte Chemie International Edition」にオンライン掲載されました。

図１. 電子供与性分子（水車型ルテニウム錯体）と電子受容性分子（TCNQ誘導体）から合成される層状化合物の模式図。

【用语解説】

※1　分子性多孔性材料　
ゼオライトや活性炭、シリカゲルのような無機物のみから構成される従来の多孔性材料に対して、金属イオンと有機配位子から構成される多孔性材料の総称です。金属?有機複合骨格（Metal?Organic Framework; MOF）や多孔性配位高分子（Porous Coordination Polymer; PCP）などと呼称されます。金属イオンの配位環境と有機物の持つ高い分子設計性に特徴があり、ナノサイズの細孔を利用した気体吸蔵?分離?触媒?センサーなどの分野での応用が期待されています。

※2　反强磁性体　
物质中の电子スピン间に磁気的な相互作用が働き、それが叁次元的に长距离に及ぶことにより磁石となります。一般的な磁石は通常、强磁性体、あるいはフェリ磁性体のどちらかです。磁石には磁気相転移温度が存在し、それより高い温度领域では常磁性体となります。しかし、隣接する电子スピン同士が逆方向を向く相互作用（反强磁性的相互作用）が働き互いに打ち消し合う场合には、物质全体としては磁化を持たず、通常の意味での磁石とはなりません。このような物质のことを反强磁性体といいます。反强磁性体にも磁気相転移温度が存在し、それより高い温度领域では常磁性体となります。しかしながら、ここでは反强磁性体も磁気秩序を持つ状态であるという事で、広い意味での「磁石」であると捉えました。

※3　磁気秩序
常磁性、强磁性、反强磁性、フェリ磁性をはじめとする様々な电子スピンの配列の様式（磁気秩序状态）を総称して磁気相といいます。常磁性は秩序を持たない状态であり、强磁性、反强磁性、フェリ磁性は磁気秩序を持つ状态です。磁石として机能するのは、强磁性、フェリ磁性の磁気秩序状态であり、反强磁性は、通常の意味での磁石としての机能は持たない磁気秩序状态になります。しかしながら、ここでは反强磁性体も磁気秩序を持つという事で、広い意味での「磁石」であると捉えました。

※4　常磁性
物质の电子スピンがバラバラの方向を向いているために非磁性であるが、磁场を印加すると、その方向に弱く配列する性质を常磁性と言います。常磁性を示す物质を常磁性体といい、常磁性体は、强力な磁石を近づけるとそちらに引き寄せられます。しかし、磁场を取り除くとスピンはまたバラバラの方向を向いてしまうため、常磁性体は、いわゆる磁石としての性质は持ちません。

※5　多孔性磁石
磁石を磁石ではなくする例としては、酸素や二酸化炭素等の吸脱着を利用した磁石の翱狈-翱贵贵（磁気相変换）が可能な材料が、これまでの研究において见出されていました（下记参照）。

详细（プレスリリース本文）