【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，國際權威期刊《美國化學會志》(Journal of the American Chemical Society)在線發(fā)表了武漢大學化學與分子科學學院張俊教授與日本東北大學Hitoshi Miyasaka教授合作的最新研究成果。該研究首次揭示了氧氣分子的自旋能夠直接介導多孔磁體的磁性演變，為氣體響應型磁性材料的基礎研究及其在智能傳感和自旋電子學中的應用開辟了新思路。論文題目為“Cooperative Magnetic Phase Evolution via Oxygen Spin Coupling in a Layered Metal–Organic Framework”(基于氧氣自旋耦合的層狀金屬有機框架磁相協(xié)同演變)。武漢大學為第一完成單位，張俊教授為論文第一作者。
 

　　多孔磁體是一類兼具多孔性和磁性的分子基材料，因其可實現(xiàn)可控磁性切換與信息存儲、低能耗自旋電子學器件、磁傳感與環(huán)境監(jiān)測等潛在應用而備受關注。其獨特的開放孔道結(jié)構使其能夠通過吸附客體分子調(diào)控電子與自旋構型，從而實現(xiàn)磁性的切換與調(diào)控。氣體分子具有快速吸脫附和低損傷性，被視為理想的客體分子。然而，氣體與框架的作用較弱，磁性調(diào)控效果有限。因此，如何突破氣體與框架作用弱、缺乏有效自旋耦合通道的局限，建立氣體分子自旋直接驅(qū)動的動態(tài)磁相演變機制，成為該領域亟待解決的核心科學難題。
 

　　在本項工作中，研究團隊設計并合成了一種二維層狀電荷轉(zhuǎn)移型多孔磁體。研究發(fā)現(xiàn)，在氧氣(O?)逐步進入材料孔道的過程中，體系的磁性經(jīng)歷了一個動態(tài)演變的過程。起初，當少量O?分子進入層間孔隙時，它們以單體或稀疏分布的形式存在，初期氧氣單體進入層間時僅與原有鐵磁層弱相互作用，體系整體仍保持鐵磁態(tài)。隨著O?吸附量的增加，分子在層間逐漸富集并形成二聚體，這些二聚體通過自旋耦合作用充當“自旋橋梁”，逐步取代原有的層間鐵磁耦合，誘導局部區(qū)域轉(zhuǎn)變?yōu)榉磋F磁耦合。隨著吸附量的進一步提升，反鐵磁性區(qū)域不斷擴展并協(xié)同增長，最終在體系中占據(jù)主導地位，使整體磁性從鐵磁態(tài)平滑過渡到穩(wěn)定的反鐵磁態(tài)。實驗上觀測到奈爾溫度由17 K提升至28 K。密度泛函理論計算進一步證實，O?二聚體可作為高效“自旋橋梁”，直接介導層間反鐵磁耦合，從而實現(xiàn)磁性的連續(xù)可控演變。首次揭示了氣體分子通過自旋直接驅(qū)動磁相演變的動力學過程，也為構筑可編程磁性開關器件、開發(fā)高靈敏氣體傳感器和探索低功耗自旋電子學元件奠定了理論與實驗基礎。
 

　　張俊團隊長期致力于客體響應型多孔磁體的構筑與物性調(diào)控，在該領域積累了系統(tǒng)性原創(chuàng)成果(JACS2018,140, 5644；Nat. Chem.2021,13, 191；JACS2021,143, 7021；JACS2023,145, 26179.)。前期研究報道了二氧化碳誘導的多孔磁體從順磁態(tài)到亞鐵磁態(tài)的可逆轉(zhuǎn)變，首次揭示了氣體分子可通過電荷轉(zhuǎn)移實現(xiàn)長程磁有序；系統(tǒng)闡明了氣體吸附過程中的電子態(tài)調(diào)控、磁性相變及晶格有序的協(xié)同效應。這些工作不僅奠定了氣體調(diào)控磁性的研究基礎，也為本次“氧氣自旋介導動態(tài)磁相演變”的發(fā)現(xiàn)提供了理論與實驗支撐。
 

　　該工作得到國家自然科學基金及武漢大學科研公共服務條件平臺的支持。