Spin crossover (SCO) materialer, som nanopartikler, tynne filmer og krystaller, har vist seg å ha potensial for en rekke teknologiske anvendelser. Blant de mest lovende er bruken av disse stoffene i temperatur- og trykksensorer, der endringer i spinntilstand kan føre til lett påviselige fysiske endringer, som for eksempel farge- eller magnetiske egenskaper. Dette kan gi enkle optiske avlesninger som kan brukes i alt fra medisinske enheter til avanserte elektroniske systemer (Létard og Guionneau, 2004; Halcrow, 2011, 2009).

Et av de mest kjente materialene innen SCO-forskning er jern(II) koordinasjonskomplekser, som har vist seg å være i stand til å gjennomgå en entropidrevet overgang fra lavspinntilstand (LS) ved lave temperaturer til høysignaltilstand (HS) ved høyere temperaturer. Disse overgangene er ekstremt følsomme for temperaturendringer, noe som har åpnet muligheter for å utvikle fargesensitive sensorer som raskt kan påvise temperaturforandringer, som vist i arbeidet til Fernandez et al. (2004). I tillegg har Gentili et al. (2014) rapportert om et jern(II) SCO-kompleks som kan brukes til multimodal sensing av etanol og metanol, ved hjelp av endringer i farge, birefringens og Raman-spektra.

Et interessant gjennombrudd har kommet fra Bousseksou et al. (2011), som utførte eksperimenter med litografisk mønstrede gull-nanorod-arrays, dekket med tynne filmer av jern(II)-triazol SCO-materiale, for å utnytte plasmonisk resonans. Dette har åpnet døren for aktive, synergistiske modulasjoner av plasmoniske egenskaper gjennom molekylær spinbytte, noe som muliggjør presis justering av plasmonresonans. Slike teknologier kan revolusjonere både sensor- og fotoniske enheter.

Et annet spennende forskningsområde er bruken av SCO-materialer i lysdioder (LED) og minneenheter. Matsuda et al. (2008) viste hvordan SCO-komplekser kan endre de elektro-luminescerende (EL) spektrene sine i respons til temperatur, og hvordan slike materialer kan brukes til å utvikle temperaturavhengige LED-enheter. Bistabilitet i SCO-molekyler, hvor de kan eksistere i enten en "ON"- eller "OFF"-tilstand, er en viktig egenskap for utvikling av minneenheter. Dette er spesielt interessant for elektroniske enheter der rask tilstandsendring kan brukes til informasjonslagring.

SCO-materialer har også blitt undersøkt for deres anvendelser i mikromekaniske systemer (MEMS) og muskel-lignende aktuatorer. MEMS-teknologi har blitt mye brukt i mikroelektronikk og dataoverføring, og SCO-komplekser har vist lovende resultater i form av høy følsomhet for kjemiske og biokjemiske sensorer. Disse materialene har også blitt inkorporert i teknologi som etterligner menneskelige bevegelser, og har derfor potensial for applikasjoner i medisinsk utstyr, kirurgiske verktøy og robotikk (Chen et al., 2015).

For å utnytte potensialet i disse materialene fullt ut, er det viktig å vurdere stabiliteten av deres kjemiske egenskaper og deres evne til å opprettholde en konsistent atferd etter repetitiv bruk. Dette er spesielt relevant når man vurderer SCO-materialer for integrering i mikroskala enheter, som kan utnytte molekylær overganger for presis kontroll over elektriske og magnetiske egenskaper.

Det er også viktig å merke seg at SCO-materialers egenskaper kan bli oppdaget på nanoskala, noe som gjør det avgjørende å koble disse molekylære enhetene til mikroskalaenheter for potensiell teknologisk anvendelse. Det fine ved designet av SCO-materialer er at de kan tilpasses for å muliggjøre raske overganger, selv ved romtemperatur, og dette åpner for en rekke nye muligheter innen både lagringsteknologi og sensorbruk.

Fremtidige fremskritt vil sannsynligvis omfatte utviklingen av mikro- og nanopatterningsteknikker for funksjonelle materialer basert på SCO-molekyler. Dette kan spille en avgjørende rolle i utviklingen av avanserte informasjonssystemer og sensorteknologier som kan endre måten vi lagrer og overfører informasjon på. Med et økende fokus på disse materialenes potensial for fremtidens teknologi, har forskningen på molekylære brytere blitt et ledende område innen vitenskap og teknologi (Gütlich og Goodwin, 2004a; Gutiérrez, 2015).

Hva er de mest effektive metodene for produksjon og funksjonalisering av magnetiske nanomaterialer?

Magnetiske nanomaterialer har fått stor oppmerksomhet i vitenskapelig forskning og industrielle applikasjoner på grunn av deres unike egenskaper som kan tilpasses og manipuleres på nanoskala. De er brukt i alt fra medisin til miljøteknologi, og produksjonen av slike materialer skjer via en rekke ulike metoder som alle har sine spesifikke fordeler og begrensninger.

En av de mest interessante metodene for produksjon av magnetiske nanomaterialer er sonokjemisk syntese. Denne teknikken involverer akustisk kavitasjon, hvor bobler som dannes i en væske gjennom høyfrekvent ultralyd, kollapser med stor kraft. Dette fører til ekstreme forhold som gjør det mulig å produsere kjemikalier ved romtemperatur, en prosess som ellers krever høye temperaturer, trykk og lang varighet. Imidlertid er storskala produksjon av magnetiske metalloksid nanomaterialer gjennom denne teknikken ikke lett å oppnå, og derfor foretrekker mange forskere alternative metoder som gir bedre kontroll over nanopartikkelens form og størrelse.

Blant de mest effektive metodene for kontroll av nanopartikkelens morfologi er den hydrotermale metoden, mikroemulsjonsmetoden og termisk dekomponering. Disse teknikkene er kjent for å gi pålitelig produksjon av nanomaterialer med ønsket form og størrelse, hvilket er viktig for videre anvendelse i forskjellige teknologier.

Thermal plasma, derimot, har fått økende oppmerksomhet som en alternativ metode for å utvikle magnetiske nanosystemer. Plasma kan skapes ved å påføre et tilstrekkelig sterkt elektrisk strøm gjennom en gassmedium. Denne teknologien kan deles inn i to hovedkategorier: termisk plasma og kald plasma. Termisk plasma eksisterer ved høyt trykk og temperaturer på mellom 2000 og 20 000 K, mens kald plasma, som brukes til spesifikke applikasjoner som syntese av nanomaterialer, opererer ved lavere temperaturer og trykk.

Thermal plasma benyttes til å produsere en rekke magnetiske materialer, inkludert de som er basert på nikkel, kobolt, jern og deres oksider. En av fordelene med termisk plasma er dens evne til å oppnå ekstremt høye temperaturer som kan fremme kjemiske reaksjoner i svært kort tid, noe som er vanskelig å oppnå med tradisjonelle varmekilder. Plasmaets høye termiske flux forbedrer dens evne til å behandle materialer effektivt, noe som gjør det til et attraktivt verktøy for nanomaterialproduksjon.

Funksjonalisering av magnetiske metalloksid nanomaterialer er også et viktig tema. For at disse materialene skal kunne brukes effektivt, er det viktig å oppnå tilstrekkelig kjemisk og kolloidal stabilitet. Dette oppnås ved å bruke ulike typer små molekyler, polymerer, uorganiske materialer eller målrettede agenter for å modifisere overflaten på nanomaterialene. Små molekyler som inneholder fosfat-, karboksylat- og amin-grupper har blitt brukt for å sikre at nanomaterialene får god stabilitet i både vann og hydrokarbonbaserte løsninger. Polymere er også vanlige i passivering av nanomaterialer for å forhindre aggregering gjennom sterisk hindring eller elektrostatisk frastøtning.

For å beskytte materialene fra oksidasjon og bevare deres magnetiske egenskaper, benyttes ofte uorganiske innkapslingsmidler som gull og silika. Disse agentene kan danne kjerne-skal-strukturer som gir stabilitet og samtidig åpner muligheter for koordinering av biomolekyler og andre aktive komponenter til nanomaterialets overflate. Dette gir muligheten for spesifikke biomedisinske applikasjoner der magnetiske nanomaterialer kan brukes til målrettet levering av legemidler eller som diagnostiske verktøy.

Videre er det viktig å merke seg at de fysiske og kjemiske egenskapene til magnetiske nanomaterialer kan justeres ved å variere produksjonsmetodene. For eksempel gir kopresipitasjonsmetoden typisk materialer med en størrelse på 10–50 nm, mens mikroemulsjonsmetoden kan produsere nanomaterialer med en størrelse på 4–15 nm og termisk dekomponering gir et bredt størrelsesområde fra 5–60 nm. Valget av syntesemetode har dermed stor innvirkning på partikkelenes form og egenskaper, som kan ha stor betydning for den spesifikke bruken av materialet.

Det er også viktig å forstå at utviklingen av magnetiske nanomaterialer ikke bare handler om produksjonen av materialene selv, men også om hvordan de kan funksjonaliseres for spesifikke bruksområder. Funksjonaliseringen kan forbedre både stabilitet og ytelse, og kan også legge til ekstra funksjoner, som for eksempel muligheten til å binde seg til biologiske mål eller forbedre materialenes interaksjon med elektromagnetiske felt.

Hvordan oppstår magnetiske domener og hysterese i ferromagnetiske materialer?

I ferromagnetiske materialer som heksaferritter organiserer jern(III)-ionene (Fe³⁺) seg i bestemte krystallstrukturer som gir opphav til sterke interne magnetfelt. I strukturer som BaFe₁₂O₁₉, også kjent som M-type heksaferritt, finnes det 24 Fe³⁺-ioner per formelenhet fordelt på ulike interstitielle posisjoner: tetraedriske, oktaedriske og heksaedriske. Disse ionene bærer et magnetisk moment på 5μB hver, og samspillet mellom dem skjer via superutvekslingsinteraksjoner som bestemmer hvordan spinnene peker – noen parallelt og andre antiparallelt. Resultatet er et netto magnetisk moment per formelenhet på 20μB.

Denne magnetiske ordenen er en konsekvens av den underliggende krystallstrukturen, som er sterkt anisotrop, spesielt langs c-aksen. Krystallen består av oksygenioner tettpakket i lag, med større divalente kationer som Ba²⁺, Sr²⁺ eller Pb²⁺ plassert i bestemte posisjoner, mens de mindre Fe³⁺-ionene fyller mellomrommene. Strukturen kan forstås som en gjentakende enhet bestående av ti oksygenlag organisert i fire byggeblokker – S, S*, R og R* – stablet langs c-aksen. Blokkene S og S* utgjør spinell-lignende enheter med parallelle og antiparallelle spinnkonfigurasjoner i henholdsvis oktaedriske og tetraedriske posisjoner. R- og R*-blokkene introduserer en ekstra kompleksitet gjennom hcp-lignende (ABABAB) pakking, der en divalent ion erstatter et oksygenion, og magnetiseringen til Fe³⁺-ionene i disse blokkene varierer.

Men selv med en perfekt krystallstruktur og sterke magnetiske interaksjoner, viser ikke ferromagnetiske materialer noen netto magnetisering i fravær av et ytre felt. Dette paradokset ble forklart av Pierre Weiss i 1906, som introduserte begrepet magnetiske domener. Ifølge Weiss’ teori er et ferromagnetisk materiale delt inn i små områder – domener – hvor hvert domene spontant er magnetisert som følge av en indre molekylær felt Hₘ. Denne feltet er et resultat av kvantemekaniske utvekslingsinteraksjoner, senere forklart av Heisenberg. Domeneveggene, grenseflatene mellom tilstøtende domener, skiller regioner med forskjellig magnetisk orientering. Selv om hvert domene er magnetisert, peker de i ulike retninger, noe som gir null netto magnetisering i makroskopisk skala.

Når et ytre magnetfelt påføres, vokser domener som er gunstig orientert med feltretningen, mens ugunstige domener krymper. Etter hvert roterer magnetiske momentvektorer i retning av det påførte feltet. Magnetiseringsprosessen består dermed av to samtidige mekanismer: bevegelse av domenevegger og rotasjon av magnetiske momenter. Ved tilstrekkelig feltstyrke når materialet metning, der alle magnetiske momenter er rettet i samme retning.

Men hvorfor dannes domener i det hele tatt? Ifølge Neel er det for å minimere den totale energien i systemet. Den totale energien inkluderer utvekslingsenergi, magnetostatisk energi, magnetokrystallinsk anisotropi, magnetostriktiv energi og energi knyttet til domeneveggene. En enkelt domene vil minimere utvekslingsenergien, men føre til store frie poler i endene av materialet og dermed høy magnetostatisk energi. Ved å dele opp materialet i mindre domener, kan det totale magnetiske flukset forbli internt og redusere magnetostatisk energi. Men hver ny domenevegg krever energi å danne. Dermed finner systemet en balanse – et kompromiss – mellom ulike energibidrag, og etablerer en struktur med mange domener og en minimal totalenergi.

For å redusere magnetostatisk energi ytterligere dannes såkalte lukkedomenestrukturer, der flukslinjer sirkulerer internt og ikke skaper frie poler. Disse strukturene er de mest stabile. Domenevegger oppstår når konkurrerende krefter – utvekslingsenergi og magnetokrystallinsk energi – balanseres. Utvekslingsenergi favoriserer parallelle spinn, og dermed brede domenevegger, hvor overgangen mellom domener skjer gradvis over mange atomer. Magnetokrystallinsk anisotropi, derimot, favoriserer spinnretninger langs bestemte akser (lettmagnetiserte retninger), og virker derfor for å gjøre domenevegger smalere. Resultatet er en optimal veggtykkelse hvor total energikostnad er minimert.

I magnetiseringsprosessen, som representert i en hysterese-sløyfe, viser materialet en karakteristisk respons på det påførte feltet. Når feltet øker, blir magnetiseringen ikke-lineær på grunn av domenebevegelse og -rotasjon. Når feltet reduseres, forblir en del av magnetiseringen – restmagnetismen – inntil et omvendt felt eliminerer den. Den nødvendige feltstyrken for å bringe magnetiseringen tilbake til null kalles koersivfeltet. Hysterese er dermed et uttrykk for energi som tapes i hver magnetiseringssyklus, og spiller en sentral rolle i anvendelser som magnetisk lagring, kjerner i transformatorer og permanente magneter.

Det som også må forstås, er hvordan krystallstrukturens symmetri og anisotropi dikterer domenestrukturens utforming. I heksagonale ferritter, der lettmagnetiserte retninger følger c-aksen, utvikles domener og domenevegger på en annen måte enn i kubiske systemer. Dette gir opphav til unike magnetiske egenskaper som høy koersivitet, lavt tap ved høy frekvens og stabil restmagnetisme. Slike egenskaper gjør heksaferritter uunnværlige i applikasjoner der høy termisk stabilitet og lavt energitap er nødvendig, eksempelvis i mikrobølgeabsorberende materialer og høyfrekvenskomponenter.

Hvordan faktorer som tetthet, hastighet og sendeeffekt påvirker håndoversuksess i mobilnett
Hvordan tjenestelag i moderne programvaresystemer muliggjør skalerbarhet og interoperabilitet
Hvordan beregne moment av treghet og polart moment for forskjellige polynomformer?