世界最強の分子磁石が誕生した。これまでに作られた中で最強の分子磁石となるカゴ状磁性ナノクラスター分子を設計、合成することに、九州大学先導物質化学研究所の佐藤治(さとう おさむ)教授らが成功した。大型放射光施設SPring-8と東北大学の強磁場実験施設で、その複雑な分子構造と電子状態を解明した。磁気を使う高性能メモリーなどに応用が期待される画期的なナノ磁石開発の突破口になりそうだ。大連理工大学(中国)、高輝度光科学研究センター、熊本大学、九州工業大学、大阪大学、東北大学との共同研究で、1月6日付の英オンライン科学誌ネイチャーコミュニケーションズに発表した。
分子エレクトロニクスを飛躍させるため、人工的に磁性分子を合成してナノスケールの磁石を作る競争が世界的に展開されている。ひとつの分子で強力な磁石が実現すれば、従来の常識を越える高密度の磁気記録や超高速な計算機などの開発が可能になる。そのためには、多くの原子磁石の向きをそろえる必要があるが、原子の磁石は互いに打ち消しあうことがほとんどで、強い分子磁石を作ることは非常に難しかった。
研究グループは、分子の構造や鉄イオン間の磁気的相互作用を精密に設計し、鉄の原子の磁性が互いに打ち消しあわずに強い磁石となるナノクラスター分子を合成した。磁性をもつ18個の鉄原子(3価、高スピン状態)と磁性のない24個の鉄原子(2価、低スピン状態)の計42個の鉄原子を最適な配置に組み合わせて全体として磁石の向きが揃うようにした。鉄原子間がシアノ基(炭素と窒素の3重結合)でつながり、星形の多面体の頂点に 3価の鉄が位置し、直径1.5ナノメートル(ナノは10億分の1)の中空のカゴ状になっていることをX線解析で突き止めた。
東北大学金属材料研究所の野尻浩之(のじり ひろゆき)教授がこの分子磁石の磁化曲線を絶対温度2度(-271℃)で測定したところ、3価の鉄原子同士が強磁性的に相互作用することで、磁石の大きさが90ボーアに達することを確かめた。この値は、1分子が持つことのできる磁石の大きさの世界最高値で、自然界で最も強い磁石の希土類元素ジスプロシウムの10ボーアを大きく上回った。地球にありふれて存在する鉄や炭素、窒素、酸素などで構成された分子を用いて、希土類原子の9倍の磁性分子となり、世界記録を樹立した。
佐藤治教授は「理論でほぼ予想した通りに、世界最強の分子磁石を作れた。磁性のない鉄原子を配置して、スピンが同じ向きに揃うように工夫したのがよかった。大きさと構造が完全に均一な分子で、高密度記録材料への応用に適している。カゴの中に薬を入れて、磁場で体内の必要な部位に運ぶドラッグデリバリーにも使える。鉄の代わりにスピンが多い原子を組み込めば、もっと強い磁石が作れる可能性もある。この分子磁石は将来の分子エレクトロニクスに貢献するだろう」と話している。
図1. 42個の鉄原子からなる最強の分子磁石の結晶写真(a)とその立体構造 (b)
図2. 磁性をもつ18個の3価の鉄原子が形成するカゴ状構造の多面体の模式図
図3. 鉄原子42個からなる分子磁石の磁気特性と原子磁石の配置の模式図。上向き矢印は原子磁石を表す。赤丸は測定値、線は理論予想曲線で、よく一致している。
(いずれも提供：九州大学)