close

Enter

Log in using OpenID

bolum 2

embedDownload
3/19/2014
MOLEKÜLER
NANOMANYETİZMA
ARAŞTIRMA GRUBU
Moleküler ve nano-ölçek seviyesinde mükemmel
yüksek yoğunluklu çok küçük bilgi depolama
cihazları gibi uygulama alanlarına sahip olan Tek
Molekül
Magnetler
(SMM),
kuantum
bilgisayarlarının gelecekteki uygulamaları için
kuantum mekanizmasının olağanüstülüğünden dolayı
temel olarak ilginçtirler. Araştırma grubumuz Tek
Molekül Magnet (SMM) gibi ilginç manyetik
özellikler gösteren molekül tabanlı malzemelerin
hazırlanması, kristal yapı ve manyetik özelliklerinin
incelenmesi
ve
teknolojik
uygulamalarının
araştırılması üzerine çalışmaktadır
Bilindiği gibi bütün maddeler atomlardan oluşmuştur.
Özelliklerini de atomlarının dizilişlerinden alırlar. Atomları
hareket ettirebilecek boyutlarda aletler geliştirilebildiği
takdirde, doğadaki atomik dizilim taklit edilerek her şey
kopyalanabilir. Çünkü maddeleri farklı kılan; en küçük birim
olan atomların dizilişlerindeki çeşitliliktir. Atomları hareket
ettirebilecek bir teknoloji de bu çeşitliliğe bir ölçüde
ulaşabilir. Sözgelimi kömür moleküllerindeki atomları
düzenleyebilirsek aynı moleküllerin farklı bir dizilimi olan
elmas elde edebiliriz. Tıpkı yap-boz oyununda parçaların
birleştirilerek
istenen
şeklin
oluşturulması
gibi,
nanoteknolojide de atomlar veya moleküller tek tek alınıp
hassas şekilde birleştirilerek istenen ürün elde edilir.
Burada yap-boz parçacıklarını Tek Molekül Magnetlere
(SMM) benzetebiliriz. Birbiriyle uyumlu yapılar bir araya
getirilerek amaçlanan özellikteki yapıya ulaşılabilir.
Tek Molekül Magnetlerin İlgi Çekici Özellikleri;
• Şu an bilgi depolamada kullanılan magnetik
parçacıklardan çok daha küçüktür. Her bir molekül çok
küçük magnetik parçacık olarak düşünülebilir.
• Bilgi belleklerinde, yüksek yoğunluklu bilgi depolama
cihazı olarak kullanılabilir.
• Moleküler seviyede klasik süperparamanyetik
nanoparçaçıklar ile karşılaştırıldığında ligand, metal,
merkez metal üzerinde redoks aktivitesi v.b gibi
özelliklerde değişim yaparak kimyasal olarak uygun hale
getirilebilmektedir.
• Su ve benzeri organik çözücülerde çözünmeleri
gelecekteki teknoloji uygulamaları açısından önemlidir.
S =
10
Single Molecule
1 nm
3
50
10
Magnetic Protein
Cluster
2 nm
3 nm
10
İlk SMM
Tünel Mekanizması
Magnetik histerisiz
İlk (SMM) Tek Molekül Magnet, George Christou ve çalışma
grubu tarafından keşfedildi ve 26 Mart 2000 tarihinde Science
Daily’de duyuruldu. Manyetik hafıza etkisi magnetik histerisis ile
birlikte gözlenir. Bu etki sıradan manyetik malzemelerde olduğu
gibi tüm malzemenin değil sadece izole molekülün özelliğidir.
6
Nanoparticle
Tek Moleküler
Magnetler
(SMM) Bilgi
Teknolojisi İçin
Yeni Kapı
Açıyor.
20 nm
Tek Molekül Magnetler (SMM), manyetik alan varlığında
mıknatıslık özelliği gösteren ve bu alan ortadan kaldırıldığında bile
mıknatıslık özelliğini koruyan moleküllerdir. Tek Molekül
Magnetler (SMM) kuantum ve klasik dünya arasındaki sınırda yer
alırlar. Klasik magnetler gibi manyetik depolama için kullanılırlar,
kararlıdırlar ve düşük sıcaklıkta histerisiz gösterirler.
Bugünlerde dijital bilginin DVD ler ve diğer aletlerde
depolanmasını sağlayan manyetik parçacıklardır. Hard disk ya da
diğer aletlerde verilen bir alandaki bilgi miktarının artırılması
anlamına gelen bilgi depolama kapasitesini artırmak isteyen
şirketler bu parçacıklara büyük ilgi göstermektedir. Verilen bir
alanda daha fazla dijital bilgi saklamak için, her bir manyetik
parçacık daha küçük olmalıdır. Aynı davranışlar sergilemeleri için
parçacıklar aynı boyutta olmalıdır
1
3/19/2014
Gelişen teknoloji sabit disklerin boyutlarını küçültmüş ve bilgi
saklayabilme
yeteneklerini
arttırmıştır.
Birkaç
megabayt
büyüklüğündeki ilk örneklerin yerini TB
kapasiteli veri
saklayabilmekte olanları almıştır ve her geçen yıl bu artmaktadır.
Tek Moleküler magnetler (SMM) Atomikölçekte
Bilgisayarlar
İçin
Büyük
Potansiyeldir.
Hiç kimse kuantum bilgisayarlarının nasıl
yapılacağını bilmiyor, fakat FÜTÜRİSTLER
(geleceği tahmin edenler) her kim bunu
başarırsa U.S. askeriyenin en zor kodlarını
birkaç dakikada kırabilecek, fizik, meteoroloji
ve astronomideki aşılmaz problemleri
çözebilecek
ve
mikroskobik
ölçekte
bilgisayarların mümkün olacağını söylüyorlar.
• Bugünün U.S. askeriyenin kodlarını kırmak
çok zaman alır fakat bu kuantum
bilgisayarları ile çok kısa bir iştir.
• Astronomlar kuantum bilgisayarları
kullanarak gökcisimleri arasındaki çekim
kuvvetlerinin etkileşimini çok daha iyi
hesaplayabileceklerdir.
• Kuantum bilgisayarlarının büyük işlem gücü
Afrika rüzgârlarının fısıltılarından az daha
fazla olduğunda kasırgaların yollarını
tahmin etmekte kullanılabilecektir.
Herşey manyetikdir
Doğal Nanomagnetler
… Nasıl ?
Ferritin
Magnetosomes
2
3/19/2014
Ferritin
Yetişkinlerdeki demir miktarı yaklaşık 3-5 gr arasında
değişir.
Oksijenin vücut içinde dolaşımı için vazgeçilmez bir
mineraldir.
Vücudumuzdaki demirin yaklaşık %25 i ferritine
proteinine bağlanarak depolanır.
Ferritine hayvanlarda sebzelerde ve mantarda bulunur.
Magnetosomes
Magnetotactic
Bakteri
Magnetite in magnetosomes
Fe3O4
35-120 nm
Magnetosomes ların diğer kullanıcıları
Diğer SMM ler
İLK SINGLE MOLECULE MAGNET (SMM)
- Mn12-acetate
March 27, 2000
Bir kaç yeni Single-Molecule Magnets Keşfedildi
BLOOMINGTON, Ind. -- Several new single-molecule magnets have been discovered by George
Christou, James H. Rudy Professor of at Indiana University, and his research group. Christou will
report his results on March 26 at the meeting of the American Chemical Society in San Francisco.
Single-molecule magnets (SMMs) have many important advantages over conventional nanoscale
magnetic particles composed of metals, metal alloys or metal oxides. These advantages include
uniform size, solubility in organic solvents, and readily alterable ligands, among others.
Magnetic particles are how digital information is currently stored on , DVDs and other devices.
There is great interest by companies in increasing the density of information storage, which means
increasing the number of bits of information in a given area of hard drive or other device. To get
more digital information in a given area, each magnetic particle must be smaller. The size of the
particles must also be the same so they will behave the same.
"Currently it is a problem to make really small, nanoscale magnetic from iron, iron oxide, or the
other magnetic materials known to date," Christou said. "My group makes molecules containing the
metal manganese. These molecules are much smaller than the magnetic particles currently used in
information storage, but nevertheless are magnets at low temperatures. So each molecule can be
considered an ultra-small magnetic particle, and this promises access to the ultimate high-density
information storage devices."
IBM last year reported a new hard-drive record of 3 gigabits (3 billion bits) of digital information in
one square centimeter of area using a known cobalt magnetic material. "The much smaller size of our
molecules means we could get 30,000 billion of them into one square centimeter, and thus a storage
density of 30,000 billion bits (or 30 terabits) is feasible. This is 10,000 times greater than the
current best by IBM. The research challenge now is to find better SMMs that function at higher
temperatures," Christou said.
3
3/19/2014
SMMs çok önemli avantajlara sahiptir. Organik
çözeltilerde çözünürlük, uniform size..
IBM 1cm2 lik alanda
3GB lık dijital bilgiyi
kaydeden hard disk
üretmiştir.
Şu an problem Fe, FeO vb şimdiye kadar bilinen
magnetik materyallerden daha küçük malzeme
yapmaktır.
SMMs şu an bilgi depolamada kullanılan magnetik
parçacıklardan çok daha küçüktür. Fakat bunlar
düşük sıcaklıkta magnettirler. Her bir molekül
çok
küçük
magnetik
parçacık
olarak
düşünülebilir. SMM mükemmel yüksek yoğunluklu
bilgi depolama cihazı olarak düşünülebilir.
makroskobik Atomik veya « merak edilen »
dünya
dünya
moleküler
dünya
metre …
mole …
10+23
SMMs 1cm2 lik alana
30,000 GB lık digital
bilgiyi depolayabilir.
Bu IBM inkinden 10,000 kez daha büyüktür.
“The research challenge now is to find better
SMMs that function at higher temperatures,"
makroskobik Atomik veya « merak edilen »
dünya
moleküler
dünya
dünya
nano metre …
1 / 1 000 000 000 = 10-9 10-9
molekül …
1
Lewis Carroll, Through the looking-glass, Penguin Books, London, 1998 Illustrations by John Tenniel
makroskobik Atomik veya « merak edilen »
dünya
dünya
moleküler
dünya
Makroskobik dünya
« geleneksel, klasik » mıknatıslar
N
S
macro
quantum
makro
4
3/19/2014
Makroskobik dünya
Manyetik akı konusundaki
ilk Öncü deney Faraday
tarafından yapılmıştır.
« Faraday kuvvet çizgileri »
N
S
makro
Courtesy Prof. Frank James, the RI
Courtesy Prof. Peter Day, the RI ; See also :
The Philosopher’s Tree,The Institute of Physics Publishing, Bristol, 1999)
M. Faradayın manyetizma labaratuvar
M. Faraday laboratuvarında çalışırken
Courtesy Prof. Frank James, the RI
Courtesy Prof. Frank James, the RI
Makroskobik dünya
Makroskobik dünya
« geleneksel, klasik » mıknatıslar
« geleneksel, klasik » mıknatıslar
S
N
S
macro
S
N
S
çekme
N
N
S
N
itme
N
S
macro
N
N
S
S
5
3/19/2014
Makroskobik dünya
Manyetik domeinlere daha yakın bakarsak
Fizik : Macroscopic
Mesoscopic
kalıcı
mıknatıslar
Nano
parçacıklar
S = 10
Pek çok
set
5
4
10
Tek domain
uniform rotation
curling
10
3
10
2
10
1
kuantum
1
1
1
Fe8
kuantum
-1
-40
-20
0
-1
0
20
 H(mT)
40
0.7K
S
0
M/M
0
“Hayır! Hayır! İlk keşifler” demiş
the Gryphon sabırsız bir ses tonu ile:
“açıklamalar korkunç zaman alacak”
Tek
spinler
manyetic moment
Kunatum tünellemesi
quantization
quantum interference
makro
Atomik
manyetik
momentler
makro
10
Kümeler
-100
M/M

6
10
Moleküler
kümeler
S
S
Pek çok
domein
seti
8
10
Nanoscopic
M/M

10
S

10
çoklu - domain
nucleation, propagation and
annihilation of domain walls
N

20
Mikron
Parçacıklar
-1
0
 H(mT)
100
-1
0.1K
1K
0
 H(T)
1
Günlük yaşam
yararlı mıknatıslar ile doludur.
bunlar geleneksel biçiminde
üç boyutlu katı,
oksitler, metaller ve alaşımlar
şeklindedir.
makro
Mıknatıslar
Domainler
Küri sıcaklığı
Lewis Carroll, Alice’s Adventures in Wonderland, Penguin Books, London, 1998 Illustrations by John Tenniel
Curie sıcaklığında manyetik momentlerin dizilimi
Ferromanyetizma :
Manyetik momentler
aynıdır ve
paraleldirler
Bir set molekül / atomlar :
TC
+
kT ≈ J
Katı, Manyetik düzenleme
Termal uyarılma (kT)
moleküller arasındaki
etkileşme (J) den daha
zayıftır.
kT << J
Manyetik
düzenleme
sıcaklığı
veya
Curie sıcaklığı
Manyetik düzenleme :
ferro-, antiferro- and ferri-manyetisma
… Paramanyetik katı:
Termal uyarılma (kT)
moleküller arasındaki
etkileşme (J) den daha
büyüktür.
kT >> J
=
Ferrimanyetizma (Néel) :
Manyetik momentler
farklıdır ve
Anti-paraleldirler
Antiferromanyetizma :
Manyetik momentler
aynıdır ve
Anti-paraleldirler
+
=
0
+
=
6
3/19/2014
Nano-parçacıkların manyetizasyonu
Nano-parçacıkların manyetizasyonu
MicroSQUID, 4 K
MicroSQUID, 4 K
1
0.5
0
M/M s
M/M s
4K
A50
0.5
Kalıcı mıknatıslanma
1
4K
irradiation with
white light
0 min
1 min
5 min
20 min
30 min
70 min
100 min
3h
4h
12 h
-0.5
A50
Coercive
Field
0
irradiation with
white light
0 min
1 min
5 min
20 min
30 min
70 min
100 min
3h
4h
12 h
-0.5
-1
-1
-1
-0.5
0
0.5
0 H (T)
1
-1
-0.5
0
0.5
0 H (T)
(A. Bleuzen, W. Werndorfer)
1
(A. Bleuzen, W. Werndorfer)
Manyetizma moleküllere
nasıl gelir?
« O bir ışıma
yayacak gibiydi,
bir iç yangın,
… fark elektronlarla yüzleşmektir
ve bu manyetizmaya
dayanamıyorum
Fernande Olivier, Loving Picasso, H.N. Abrams Publishers, New York, 2001, p.139
Manyetizmanın orijini
… elektron
Manyetizmanın orijini
« Orbital » manyetic moment
µorbital
Ben bir elektronum
• kütle, me,
• yük, e-,
• manyetik moment µB
kuantum
Herşey, küçük, ve temel
« Intrinsic » Spin den kaynaklanan
manyetic moment
s = ± 1/2
eµorbital = gl x µB x
µspin
µspin = gs x µB x s ≈ µB
kuantum
µtoplam = µorbital + µspin
• Fakat çekirdek manyetizmasınıda unutmayın !
7
3/19/2014
Manyetizmanın orijini
Dirac Equation
… Moleküllerde
elektronlar *
-atomlarda
-moleküllerde
The Principles of Quantum Mechanics, 1930
Nobel Prize 1933
1
e
eh
p
eh
eh
(E'+e  p + A 
 •  A-      •   •  p]
2m
c
2mc
8m c
8m c
4m c
1905
1928
kuantum
* Çekirdek manyetizmasını unutmadan
Representations, Models, Analogies …
“When I use a word”,
Humpty Dumpty said, …
“it just means what I choose it to
mean – neither more nor less “
http://www-history.mcs.st-and.ac.uk/history/PictDisplay/Dirac.html
Elektron : parçacık ve dalga
dalga fonksiyonu veya « orbital » n, l, ml …
l =
0
1
s
“The question is”, said Alice, whether
you can make words mean so different
things”
x
Boş
Singly doldurulmuş
Doubly doldurulmuş
z
y
x
y
x
Açısal gösterim
Electron : spini de vardır !
yukarı
Enerji
diyagramı
d
z
y
y,z,x
x,y,z
Lewis Carroll, Through the Looking-Glass, Penguin Books, London, 1998 Illustrations by John Tenniel
Orbitaller
3
p
“The question is”, said Humpty
Dumpty, “which is to be master –
that's all.”
Elektron : enerji seviyesi de vardır.
2
aşağı
Singly
doldurulmuş
Doubly
doldurulmuş
« Paramanyetik »
S = ± 1/2
« Diamanyetik »
S = 0
R
š*
Nitrogen Monoxyde NO•
O
N
C
O
N
N O•
C N
O
•
š*
Nitronylnitroxyde
8
3/19/2014
Benzerlik : Spin ve ok
Maya dünyasında Spin?
Paul Klee, Théorie de l’art, Denoël, Paris
Uxmal, Palacio del Gobernador, Mayab, Yucatan, July 2004
An Isolated Spin
Molecules
sürekli nefes aldığımız
dioxygen
bir manyetik moleküldür
Dihydrogen
OA
E
O-O
OB
u 2

1
g

px
2
1
diamagnetic
Spin S = 0
dioxygen uyarılmış durumda olduğu zaman
bir singlet (spin S=0) durum da olabilir
ve garip bir tepkime bazen
yararlı (glow-worm…) görünür.
orthogonal π
molecular
orbitals
py pz
paramagnetic, spin S =1
Elektronlarının ikisi paralel manyetik momentlere sahiptir,
bu aerobic yaşamı şekillendirir ve bizim insan olarak
varlığımıza ve yaşamamıza izin verir.
Daha karmaşık bir moleküler çerçeveler; 5 (3d için)
yada 7 (4f için) elektrona kadar manyetik momentleri
yada spinleri olan moleküllerden yada geçiş
metallerinden oluşan metal kompleksleri olarak
adlandırılır.
makro
Paramagnetic O2
Luminol Light
9
3/19/2014
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
13 14 15 16 17 18
p Elements
s Elements
H
Geçiş elementleri
He
Li Be
B C N O F Ne
d Elements : transition
Na Mg
K Ca Sc
Al Si P
S Cl Ar
Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe
Rb Sr
5 d orbitals
Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr
Cs Ba La • Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn
Fr Ra Ac•
E
Unpaired Electrons
f Elements
Partial Ocupancy
Paramagnetism
Conductivity
Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er TmYb Lu
Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr
44,956 47,867 50,942 51,996 54,938
Sc
Ti
21
V
22
23
Cr
24
Mn
25
55,845 58,933
Fe
26
Co
27
58,693 63,546 65,39
Ni
28
Cu
29
Zn
30
88,906 91,224 92,906 95,94
98,906 101,07 102,91 106,42 107,87 112,41
39
43
Y
Zr
Nb
40
41
Mo
42
Tc
Ru
44
Rh
45
Pd
46
Ag
47
z
Cd
x2-y2
48
138,91 178,49 180,95 183,84 186,21 190,23 192,22 195,08 196,97 200,59
La
Hf
57
Ta
72
73
W
74
Re
75
Os
76
Tek çekirdekli kompleks
Ir
Pt
77
78
Au
79
L
L
L
M
L
L
yz
xy
kuantum
Enerji seviyesinin ayrılması ne
kadar büyüktür?
z
y
eg
x
E
y
xz
80
ML6
z
z2
Hg
Enerji seviyelerinin
Ayrılması
L
y
x
?
x
Zayıf Alan
Yüksek spin
L = H2 O
[C2O4]2-
² oct
2
2
z
x -y
y
z
x
Orta Alan
Güçlü Alan
Sıcaklığa
Bağlı
Spin Cross-Over
Düşük spin
xy
2
z
x
xz
y
t2g
yz
L = CN-
Geçiş metal kompleksleri genellikle d orbitallerinin
ayrılmasına bağlı olarak çok güzel renklidirler.
Hareket eden spinlerin
ve atlayan elektronların
hikayesi…
h
macro
Su içindeki renkler
Geometrideki değişimler
Spindeki değişimleri
10
3/19/2014
İki
[CoII(H2O)6]2+
+
Methylene
Blue
Mavi
KCN
+
Methylene
Blue
Çözelti
bir
sarı
mavi + mavi
=
sarı !
çözelti
[FeII(H2O)6]2+
pale green
[CoIII(CN)6]3+
Methylene
Reduced
Colorless
Low spin, chiral, FeII(bipyridine)3]2+
S=2
FeII(o-Phen)3]2+
bright red
S=0


11
3/19/2014
Moleküllerden malzemelere ve cihazlara....
Ligandlarla oynayarak
Spin durumunu
kontrol edebiliriz
O. Kahn, C. Jay and ICMC Bordeaux
(A)
E
z (B)
y
x
(C)
² oct
(D)
MT / cm3 mol-1
Rouge
Red
250
TC
TC
Blanc
White
300
T/K
350
(F)
(E)
From J.F. Letard, ICMC Bordeaux
O. Kahn, Y. Garcia, Patent
Daha ileri gidelimmi
ve molekuler magnet leri düşünebiliriz
düşük yoğuluk,
biyolojik uyumlu
saydam
veya renkli magnetler?
12
Author
Document
Category
Uncategorized
Views
0
File Size
2 062 KB
Tags
1/--pages
Report inappropriate content