ويژگي کوانتمي به نام اسپين در اتم مس
آهن‌رباها کاربردهای فراوانی در ابزار مختلف دارند. اما تنها تعداد محدودی از فلزات به طور طبیعی دارای این خاصیت مغناطیسی هستند و برخی از این فلزات بسیار نادر و کم‌یابند. اما به تازگی محققان موفق شده‌اند از دو فلز غیر مغناطیسی یعنی مس و منگنز موادی با خاصیت آهن‌ربایی در دمای اتاق بسازند. این کشف سبب تولید یک کلاس جدید از مواد خواهد شد که قابل استفاده در سنسورها و ابزار الکترونیکی در ابعاد میکروسکوپی هستند.
بسیاری از مواد زمانی که در یک میدان مغناطیسی قرار می‌گیرند از خود خاصیت مغناطیسی نشان می‌دهند. مانند سوزن یک قطب‌نما، الکترون‌ها نیز در جهت میدان مغناطیسی قرار می‌گیرند. حال اگر ماده فِرومغناطیس یا آهنربای دائمی باشد، این سوزن‌ها حتی پس از خارج شدن ماده از میدان مغناطیسی نیز به همان شکل باقی می‌مانند.
بیشتر محصولات دارای آهن‌ربا مانند بلندگو، موتور و لوازم الکترونیکی حاوی کبالت، آهن، نیکل یا آلیاژی از این‌ها هستند. اما این لیست کوتاه از عناصر مغناطیسی طبیعی سبب محدودیت کاربرد آنها می‌شود. به همین دلیل محققان سعی در تولید آهن‌رباهای مصنوعی دارند.
 |
به منظور ایجاد خاصیت مغناطیسی در مس و منگنز، محققان به یک مولکول کربن جالب به نام باکی‌بال روی آوردند. باکی‌بال‌ها شکل هندسی شبیه یک توپ فوتبال دارند و تماماً از اتم‌های کربن تشکیل شده‌اند. این مولکول‌ها به دلیل خاصیت الکترون-دوستی برای این کار مناسب هستند، زیرا الکترون‌ها را از فلز مجاور خود بیرون می‌کشند.
برای ساخت آهن‌ربا، محققان لایه‌ی نازکی از باکی‌بال به همراه یک لایه‌ی نازک مس را روی یک تراشه‌ی غیر مغناطیسی قرار دادند. ساختار حاصل فقط ۲۰ نانومتر ضخامت داشت و محققان توانستند نشان دهند که این ساختار حتی پس از خارج شدن از میدان مغناطیسی آرایش خود را حفظ می‌کند. میزان مغناطیسه شدن این ساختار کم بود، در حدی که حتی نمی‌توان با آن یک جسم کوچک را روی در یخچال چسباند. اما این موفقیت هر چند کوچک نشان داد که می‌توان خاصیت فِرومغناطیس را در دمای اتاق در مس و منگنز ایجاد نمود. نتایج این تحقیقات در ژورنال Nature به چاپ رسیده است.
پس از این مرحله محققان روی چگونگی ایجاد خاصیت مغناطیسی توسط مواد بررسی‌هایی انجام دادند. هر چه ساختار این لایه‌‌های متناوب باکی‌بال و فلز روی هم قرار گرفته طولانی‌تر بود، خاصیت مغناطیسی ایجاد شده قوی‌تر می‌شد. این مسئله نشان می‌دهد که منشأ مغناطیس در این ساختارها سطح تماس لایه‌هاست.
به منظور اثبات این خاصیت مغناطیسی در سطح تماس لایه‌ها، محققان به روشی غیر مرسوم به نام چرخش اسپین میون روی آوردند. با قرار دادن میون‌ها (ذرات زیراتمی فرميوني که آنها نیز اسپین خاصی در میدان مغناطیسی دارند) در عمق‌های مختلف از این ساختار چند لایه، و بررسی تغییر اسپین این ذرات محققان توانستند قدرت موضعی میدان مغناطیسی را اندازه‌گیری کنند. میون‌ها در سطح تماس فلز و باکی‌بال بیشترین چرخش را داشتند. به این معنا که الکترون‌های این منطقه سبب ایجاد خاصیت مغناطیسی می‌شوند.
خاصیت مغناطیسی این ساختارهای لایه‌ای فلز-باکی‌بال حدود ۳۰ برابر کمتر از خاصیت مغناطیسی آهن است. اما نویسنده‌ی اصلی مقاله، Oscar Cespedes معتقد است به زودی پیشرفت‌های زیادی در این زمینه رخ خواهد داد. فلز مس از خاصیت مغناطیسی بسیار دور است. این به آن معناست که بسیاری از ترکیبات مواد دیگر نیز می‌توانند این خاصیت را داشته باشند. برای رسیدن به بیشترین خاصیت مغناطیسی باید بتوانیم ترکیب درستی از مولکول‌ها و فلزات را در کنار هم بچینیم.
در حال حاضر بسیاری از کاربردهای صنعتی و تکنولوژیکی مواد مغناطیسی نیازمند عناصر کمیاب در زمین از جمله نئودیمیوم (Neodymium) هستند. این عناصر کمیاب بیشتر در چین استخراج می‌شوند و در نتیجه روزبه‌روز قیمت آنها افزایش می‌یابد. آهن‌رباهای دائمی ساخته شده با مواد در دسترس از جمله مس و کربن می‌تواند راه را برای محصولات زیست‌سازگارتر باز کند و وابستگی ما را به مواد معدنی خارجی کاهش دهد.
همچنین از آنجا که باکی‌بال‌ها از نظر بیولوژیکی سازگار هستند و می‌توان آنها را در یک آزمایشگاه شیمی ساخت، مغناطیس مبنی بر مواد آلی هم اکنون به حوزه‌ای جذاب برای انجام تحقیقات تبدیل شده است. آهن‌رباهای ساخته شده با مس و باکی‌بال را می‌توان در پزشکی به کار برد. برای مثال در انجام اسکن‌های MRI استفاده از این مواد سبب حذف عوامل کنتراست سمی که امروزه در این تصویربرداری کاربرد دارد می‌شود.
منبع:
5 Chemistry Breakthroughs
منابع مفيد:
Polythene
Russell Marker
Liquid Crystals
باکي بال
ويژگي‌هاي بي پايان کربن
لپتون‌ها
قطب نما
موتور DC
قطارهاي مغناطيسي- مونوريل
فرومغناطيس-ويکيپديا