東北大学は2023年12月5日、同大学金属材料研究所と武漢大学、大阪大学の共同研究グループが、二酸化炭素ガスを吸着させることで、非磁石を磁石に変えることに成功したと発表した。
近年、磁石本来の性能向上に加えて、既存の磁性体では実現できなかった機能性を持たせたり、磁石機能と協奏したりといった「多機能性磁石」の開発が求められている。そのような機能を設計するにあたっては、分子が有する柔軟性の利用が有効となる。
同研究グループは今回、電子供与性分子として振る舞うカルボン酸架橋水車型ルテニウム二核（II, II）金属錯体と、電子受容性分子として振る舞うTCNQ（7,7,8,8-tetracyano-p-quinodimethane）誘導体からなる層状分子化合物を開発した。
同化合物は、二酸化炭素を吸着する前の空の状態（ドライ状態）では、磁石としての性質を示さない化合物（常磁性体）だ。一方で、二酸化炭素を吸着させると反強磁性体へと変化。磁化ー温度曲線において、反強磁性状態への相転移を示すピークが62Kとなった。
二酸化炭素の吸着前後における磁化の温度依存性。
二酸化炭素吸着後（水色）において、反強磁性体であることを示す鋭いピーク（62K）が確認できる。
さらに、130Oe以上の強さの磁場を反強磁性状態の化合物に印加したところ、フェリ磁性体となった。磁化ー磁場曲線測定より、一度フェリ磁性体へと変換された化合物は、印加磁場を取り去った後も磁石の状態を保つことが判明している。
二酸化炭素の吸着前後における磁化の外部磁場依存性。
二酸化炭素吸着後（水色）は残留磁化の値を有しており、磁石となっていることが確認できる。
なお、これらの過程は、二酸化炭素の吸脱着により何度でも変換可能。二酸化炭素吸脱着による磁気スイッチが可能となる。
二酸化炭素の吸着前後の結晶構造などを分析したところ、MOFの構成分子であるルテニウム二核錯体とTCNQ誘導体の電子状態が、二酸化炭素吸着の前後で変化していることが判明した。
二酸化炭素の吸脱着に併せて生じる電子状態変化の模式図
これにより、磁気格子の構成分子であるTCNQ誘導体上にスピンが生じ、磁気相互作用パスが繋がることで、磁気秩序が形成されることが判明した。
同発表によると、今回の二酸化炭素吸着による磁気秩序の創出は初めて観測された事例だという。高機能分子デバイスの実現に寄与することが期待される。
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