Thomas Heine, Professor für Theoretische Chemie an der Technischen Universität Dresden (TUD), hat eine bedeutende Forschungsförderung erhalten. Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) unterstützt ihn mit 915.000 Euro über einen Zeitraum von fünf Jahren. Ziel des Projekts ist die Erforschung von metallfreien magnetischen Materialien, die insbesondere in der Elektronik und in Quantencomputern Anwendung finden sollen. Diese Entwicklungen könnten einen revolutionären Fortschritt in den Materialwissenschaften darstellen, wie TU Dresden berichtet.
Der magnetische Effekt beruht auf der Bewegung von Elektronen und deren Spin. Bei den meisten Materialien heben sich die magnetischen Momente aufgrund gegenläufiger Spins gegenseitig auf. Nur wenn unpaarige Elektronen vorhanden sind, können diese Momente verstärkt werden, was zu einer stabilen magnetischen Ordnung führt – ein Phänomen, das als Ferromagnetismus bekannt ist. Dieser ist die Grundlage für Permanentmagnete und die Speicherung von Daten. Interessanterweise wurde bislang magnetische Ordnung in metallfreien Materialien nicht beobachtet.
Innovative Ansätze für metallfreien Magnetismus
Heine und sein Team haben nun einen innovativen Ansatz zur Verwirklichung metallfreien Magnetismus vorgestellt. Sie nutzen dabei radikalische organische Moleküle, insbesondere Triangulene. Diese wurden 1953 theoretisch prognostiziert und konnten erst 2017 synthetisiert werden. Indem sie Triangulen-Moleküle zu einem stabilen magnetischen Zustand in einem zweidimensionalen Gitter verbinden, hoffen die Wissenschaftler, signifikante Fortschritte zu erzielen. Die Idee dahinter ist, die Elektronenspins so anzuordnen, dass sie in einem 2D-Festkörper ferromagnetische Materialien bilden, ohne die Notwendigkeit von Metallen, wie dies traditionell der Fall ist.
Diese neue Klasse von Materialien könnte nicht nur die Leichtigkeit und Biokompatibilität erhöhen, sondern auch die Grundlage für Anwendungen in der Medizintechnik sowie eine nachhaltigere und weniger toxische Herstellung von Magneten bieten. Magnetische Momenten in organischen Stoffen haben normalerweise eine zufällige Orientierung, die sich untereinander aufhebt. Durch geschickte chemische Bindung kann jedoch in einem 2D-Kristall eine Ordnung der Spins erzeugt werden, was dazu führt, dass entweder Stoner-Ferromagnete oder antiferromagnetische Mott-Isolatoren entstehen können, wie chemie.de erläutert.
Technologische und wissenschaftliche Implikationen
Die Ergebnisse dieser Forschung wurden in der Fachzeitschrift „Science Advances“ veröffentlicht und zeigen das Potenzial von metallfreien magnetischen Materialien in verschiedenen Bereichen. Gewonnene Insights könnten die Chemie, Informationstechnologie, Festkörperphysik sowie die Materialwissenschaften grundlegend transformieren. Das Projekt steht vor Herausforderungen, da herkömmliche Methoden oft nicht in der Lage sind, den metallfreien Magnetismus akkurat zu beschreiben.
Das Forschungsteam, zu dem neben Heine auch Dr. Hongde Yu gehört, ist darüber hinaus im Sonderforschungsbereich „Chemie der synthetischen zweidimensionalen Materialien“ der DFG aktiv. Diese Forschungen könnten durch ihre Neugestaltung von Magnetmaterialien wichtige neue technologische Entwicklungen ermöglichen und das Potenzial biomedizinischer Anwendungen erheblich erweitern, wie die TU Dresden abschließend feststellt.