Двадцать лет назад возможность носить сотни гигабайт в кармане казалась фантастикой и бесконечно далеким будущим. Сейчас это уже никого не удивляет, но предел не достигнут. Сотрудник лаборатории гетероциклических соединений Новосибирского института органической химии им. Н.Н. Ворожцова СО РАН кандидат химических наук Николай Семенов работает над созданием веществ, которые позволят записывать один бит информации на одну молекулу.
Идея выглядит впечатляюще, однако размеры обычных магнитов, которые используют при производстве устройств для записи, нельзя уменьшать до бесконечности. К примеру, жесткий диск компьютера хранит информацию в виде единиц и нулей, благодаря областям на диске — магнитным доменам, размеры которых сейчас составляют более 10 нм. При их дальнейшей миниатюризации происходит спонтанная потеря записанных данных — просто из-за физических ограничений. Эту проблему можно решить, используя парамагнетики — вещества, молекулы которых обладают собственным магнитным моментом за счет неспаренных электронов. Такие соединения уже используют в биомедицине в области магнитно-резонансной томографии. Но одной из самых перспективных сфер их применения являются материалы для создания новых устройств электроники и ее концептуального аналога — спинтроники, в которой логика строится не на наличии или отсутствии тока электронов, а на спиновом состоянии частиц, образующих схему. Сюда же относится разработка особых носителей данных, когда один бит информации мы сможем реально записать на одну молекулу, чьи характерные размеры — меньше 1 нм. Такие устройства потенциально обладают большим быстродействием, меньшим тепловыделением и большей энергоэффективностью, сверхминиатюрны и так далее.
Собственно, хранить информацию будут отдельные молекулы парамагнитного вещества, нанесенные на какую-либо подложку. Над синтезом соединений, которые в будущем могут быть использованы в качестве таких уникальных материалов, трудится и Николай Семенов с коллегами. Уже сейчас ученые по всему миру работают над созданием электронных устройств, в которых элементами схем будут отдельные молекулы — особенно эта тема популярна в Японии. Пока подобные проекты находятся на стадии фундаментальных исследований — ведь чтобы получить прототип, исследователям необходимо решить несколько серьезных проблем.
Так, абсолютное большинство молекулярных парамагнетиков проявляют интересные свойства (собственную намагниченность для хранения информации, определенное состояние молекул для спинтроники, квантовых компьютеров и так далее) только при очень низких температурах – например, жидкого гелия (–269°C) и ниже. Успехом считается, если все работает при –250 или –220°C. Исключения, которые проявляют нужные свойства при комнатных условиях, единичны. При этом они могут существовать только в инертной среде и самовозгораются на воздухе. Исследователи со всего мира стремятся получить высокотемпературные молекулярные ферромагнетики с лучшими свойствами, и ученые НИОХ СО РАН также участвуют в этой работе.
В своих поисках большинство специалистов задействуют комплексы переходных металлов — медь, железо, хром, марганец, редкоземельные элементы и так далее. Другой подход — это использование органических стабильных радикалов для получения молекулярных магнетиков. Николай Семенов и его коллеги пытаются совместить два этих метода – синтезировать вещества, содержащие как стабильные органические радикалы, так и ионы переходных металлов. Для работы были выбраны анион-радикалы халькоген-азотных гетероциклов — молекул, содержащих одновременно атомы халькогенов (серы, селена или теллура) и азота. Таким образом получаются соли, содержащие парамагнитные катион и анион. На эти соединения выбор пал прежде всего потому, что их очень мало изучали до этого, а также они хорошо подходят для синтеза.
Ученые получают новые парамагнитные соединения на основе анион-радикалов методами синтетической химии в органических растворителях. В результате необходимо получить вещество в виде монокристаллов для изучения его структуры с помощью рентгено-структурного анализа. После этого можно исследовать свойства вещества, для чего подходят и мелкокристаллические порошки. Кроме того, современные методы позволяют менять структуру вещества в широких пределах и тем самым достаточно тонко «настраивать» его свойства.
— Сложность состоит в том, что на воздухе анион-радикалы очень быстро окисляются. Соответственно, те материалы, которые мы получаем, могут существовать только в инертной атмосфере аргона. Именно в ней мы ведем весь цикл исследований и храним итоговые образцы, — говорит Николай Семенов. — Сегодняшняя теоретическая база не позволяет однозначно предсказать строение и магнитные свойства вещества, поэтому работа ведется скорее методом проб и ошибок: синтезируем образец, исследуем его структуру здесь, в НИОХ, потом относим в Международный томографический центр СО РАН, где изучают магнитные свойства нашего материала. Затем в Институте химической кинетики и горения им. В.В. Воеводского СО РАН наши коллеги во главе с д.х.н. Ниной Павловной Грицан проводят теоретическое изучение полученных нами соединений. В перспективе мы надеемся найти способ, благодаря которому сможем модифицировать молекулы вещества таким образом, чтобы оно могло долго хранить информацию и существовать на воздухе.
Разумеется, подобная работа требует специфического оборудования. На западе для подобных исследований используют сухую камеру — герметичный бокс, в котором поддерживается инертная среда, например атмосфера очищенного аргона с очень низким содержанием кислорода и паров воды, за счет чего можно проводить реакцию, просто сливая растворы и не прибегая к дополнительным методам защиты от воздействия воздуха. Пока у Николая нет такого оснащения, поэтому ученый работает, используя так называемую технику Шленка: сосуды с кранами и вакуумную линию, представляющую собой систему стеклянных трубок, главными из которых являются две — вакуумная и аргоновая. Все это позволяет откачивать воздух из колбы Шленка, заполнять ее инертным газом, добавлять растворители и затем синтезировать необходимые вещества. Работать нужно с особой аккуратностью — небольшие ошибки в последовательности операций могут привести к попаданию кислорода в реакционный сосуд и эксперимент будет испорчен. При этом не всегда сразу понятно, попал ли в систему воздух, который может повредить образец.
Во всем НИОХ вакуумных линий всего две, и свою Николай спроектировал самостоятельно — по образцу той системы, с которой он работал во время стажировки в Германии. Институт в течение долгих лет ведет партнерский проект с Университетом Бремена, где ученые работают над схожими задачами. Совместные исследования ведутся при поддержке Немецкого научно-исследовательского общества. Кроме того, по этой теме Николай Семенов получил финансирование от Совета по грантам Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых ученых — 600 000 рублей в год.
Павел Красин
Фото: (1) — предоставлена Николаем Семеновым, (анонс, 2) — «Наука в Сибири»
