中大新聞網訊（通訊員劉俊良）在熱、光或壓力等外界擾動下，磁性分子材料呈現出豐富且可控的刺激響應行為。實現對分子結構、電子能級及宏觀磁電性能的調控與操縱，在磁記憶材料、自旋電子學器件和分子開關中具有廣闊的應用前景。將人工分子機器的概念引入到磁性分子材料的設計中，有望在分子水平上精準操控具有刺激響應特性的磁電性能。
圖1 姜-泰勒軸的可逆轉換和冠醚“轉子”的熱輔助轉動
冠醚由于其結構靈活，可充當有序-無序型相變過程中分子馬達的“轉子”，被廣泛用于構筑人工分子機器及結構相變配合物。最近，分子磁體研究團隊通過選用18-冠醚-6和具有姜-泰勒效應的Co(II)離子，巧妙合成了一例具有“Rc···Rw?S?Rw···Rc”型超分子結構的磁性配合物（其中Rc和Rw分別指代冠醚和水分子“轉子”，S指代Co(II)“定子”）。上述磁性分子固體在室溫附近發生可逆一級相變，晶體結構上主要表現出姜-泰勒軸的可逆轉換以及18-冠醚-6“轉子”的熱輔助轉動（圖1），可推斷高溫時轉動的冠醚通過分子間氫鍵拉動配位水分子，從而觸發了分子結構的動態變化。
圖2 磁各向異性與磁介電效應的熱輔助調控
單晶角分辨磁性測試表明，磁性分子的磁各向異性在相變前后發生了顯著變化：從低溫相變化至高溫相時，易磁化軸往鍵長縮短的N4配位赤道平面轉動了14.6°，而難磁化軸往鍵長增加的Co-O軸向配位鍵轉動了14.1°。由于相變前后分子結構與磁各向異性均出現明顯變化，因此其自旋-晶格相互作用也會發生改變。單晶磁介電測試顯示，高溫相幾乎沒有觀察到磁介電效應，而低溫相則表現出顯著的負磁介電效應，表明其高溫相可能存在更強的自旋-晶格相互作用。
該工作精準設計與合成了一例有序-無序型Co(II)相變配合物，姜-泰勒軸和冠醚“轉子”的熱輔助動態變化引發了配合物磁電性質的可逆轉換，第一次為相變型分子磁性材料的單晶磁各向異性及磁介電效應的協同調控提供了范例。
該研究論文以“Reversible Switchability of Magnetic Anisotropy and Magnetodielectric Effect Induced by Intermolecular Motion”為題，發表在《德國應用化學》（Angewandte Chemie International Edition）。中山大學化學學院為該成果的第一完成單位，博士研究生杜杉楠為論文第一作者，劉俊良教授和重慶大學孫陽教授為共同通訊作者。該研究得到了童明良教授的大力支持，并得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金重點項目、國家自然科學基金面上項目、廣東省“珠江人才計劃”本土創新科研團隊項目的支持。
論文鏈接：https://doi.org/10.1002/anie.202204700
