فلزات مشهوری (همچون مس و منگنز) که مغناطیسی نیستند را می‌توان به آهنربا تبدیل کرد: اثری شگفت‌آور که در آن لایه‌های نازکی از فلزات با مولکول‌های آلی برپایه‌ی کربن در‌آمیخته می‌شود. هرچند مغناطشی که به این طریق ایجاد می‌شود ضعیف بوده و پس از چند روز از بین می‌رود اما به گفته‌ی اسکار سسپیدز (Oscar Cespedes) این کشف می‌تواند به نوعی از آهنرباهای هیبریدیِ فلز-آلی بیانجامد که کاربردهایی همچون تصویربرداری پزشکی داشته باشند. وی کسی است که گزارش متشر شده در مجله‌ی نیچر را رهبری کرده است.

آهنرباهای دائمی قدرت خود را از اسپین‌ الکترون‌هایی می‌گیرند که در داخل آن‌ها وجود دارد. این خاصیتِ مکانیکِ کوانتومی به این معنی است که هر الکترون میدان مغناطیسی خود را ایجاد می‌کند. بسیاری از الکترون‌ها اسپین‌هایشان را چنان باهم جفت می‌کنند که همدیگر را خنثی می‌کنند. درنتیجه هیچ اثر کلی ایجاد نمی‌شود. اما برخی از الکترون‌های «جفت‌نشده» با میدان مغناطیسی خارجی همراستا می‌شوند و وقتی میدان حذف می‌شود نیز در همان حالت باقی می‌مانند. اثر جمعی این میدان‌های مغناطیسیِ هم‌راستاشده‌ی کوچک باعث ایجاد فلزاتی همچون آهن٬ کبالت و نیکل مغناطیسی در دمای اتاق می‌شود.

سسپیدز و همکارانش مس و منگنزی ساخته‌اند که به همین طریق نیز رفتار می‌کند. آن‌ها لایه‌های نازکی از این فلزات را بر روی باکی‌بال‌هایی (buckyballs) قرار داده‌اند. باکی‌بال‌ها مولکول‌های قفس‌مانندی هستند که از ۶۰ اتم کربن ساخته شده‌اند و به این علت انتخاب شده‌اند که بویژه در زدودن الکترون‌ از لایه‌های نازک فلزی رفتار خوبی از خود نشان می‌دهند. این کار باعث می‌شود فیلم‌ها در طول لایه‌ای به ضخامت چند نانومتر بعد از باکی‌بال نسبتاً مغناطیسی شوند. وقتی یک میدان مغناطیسی اعمال می‌شود و سپس حذف می‌شود حدود ۱۰ درصد از میدان مغناطیسی القاشده باقی مانده و یک آهنربای ضعیف تولید می‌شود.

ایده‌های قدیمی

این پژوهش‌گران آزمایش خود را بر اساس نظریه‌ای که در دهه‌ی ۱۹۳۰ توسط فیزیک‌دان نظری ادموند استونر (Edmund Stoner) – که وی هم از دانشگاه لیدز بود- به انجام رسانده‌اند. ادموند در جستجوی آن بود که چه چیزی سبب می‌شود تا یک عنصر مغناطیسی باشد. بویژه چه نوعی از ساختار الکترونی درونی نیاز است تا به لحاظ انرژی الکترون‌های جفت‌نشده با میدان‌های مغناطیسی‌شان همراستا شوند. سسپیدز مطمئن نیست که آیا آزمایش آن‌ها باعث می‌شود ساختار الکترونی درونی مس و منگنز دقیقاً با قانون استونر تطابق داشته باشد یا نه. اما به گفته‌ی وی در هر حال نتیجه حاکی از آن است که امکان القای مغناطیس در دیگر مواد غیرمغناطیسی وجود دارد.

سسپیدز امیدوار است این فناوری نوآورانه بتواند روش جایگزین به لحاظ سازگاری بیشتر با محیط‌زیست و دوستارمحیط زیست بودن برای اتصالات گادولینیم در دستگاه‌های تصویربرداری تشدید مغناطیسی (MRI) باشد. به بیان او از این فناوری در توربین‌های بادی نیز می‌توان استفاده کرد؛ توریبن‌هایی که از ژنراتورهای الکتریکی تشکیل شده‌اند و با چنان مواد مغناطیسی ساخته می‌شوند که بتوانند قطبش خود را همراه با جذب مقدار زیاد انرژی حفظ کنند. وی می‌گوید: «توربین‌ها امروزه از آهن٬ کبالت و نیکل با مخلوط عناصر زمینی نادر بهره می‌برند اما استخراج این عناصر معدنی گران و دشوار است» او می‌افزاید: «اما چون توربین‌ها به آهنرباهای حجمی و قوی نیازمندند٬ استفاده از یک ماده‌ی فلز-آلی هیبریدی «یک راه طولانی» به حساب می‌آید.

به گفته‌ی جانکارلو پنَجورنی (Giancarlo Panaccione) از شورای ملی پژوهش‌ ایتالیا در تریست٬ نکته‌ی حائز اهمیت آن است که این نتایج در دمای اتاق بدست آمده‌اند. این قابلیت می‌تواند کاربردهایی همچون حافظه‌های رایانه‌ای با چگالی بالا داشته باشد: «بیت»‌های مغناطیسی را می‌توان در بین‌سطحیِ فلزات و باکی‌بال‌ها ذخیره کرد. اما وی خاطرنشان می‌کند که مغناطش القاشده در طول بازه‌ی زمانی چندین روز با اکسیده‌شدن ماده افت می‌کند؛ بازه‌ای که می‌توان با پوشش دادن ماده آن را به هفته‌ها افزایش داد.

سسپیدز اذعان دارد که کار بیشتری باید در این مورد انجام بگیرد. وی می‌گوید اما امکان این وجود دارد که شدت میدان مغناطیسی این ساختارها را بتوان با به‌هم‌بافتن فلز و مولکول‌های آلی در یک ماتریس (به جای لایه‌ها) یا با تغییر هریک از مولفه‌ها بهبود داده و عمر این اثر را طولانی‌تر ساخت.

مراجع: