Imán de una sola molécula con permeabilidad controlada eléctricamente: ¿cómo funciona el Titan Shield de Deus Ex?

Question

En una reciente entrega de Serie de juegos Deus Ex hay un aumento llamado "Escudo de Titán" (no tiene nada que ver con $\ce{Ti}$ elemento):

Una matriz de piel de neodimio construida con imanes de tierras raras nanomoldeados y alimentada con enganches al sistema eléctrico de Biocell, el aumento de piel TITAN puede activarse a voluntad y luego disiparse instantáneamente.

Cuando se activa, el fluido magnetoreológico dimórfico se expulsa desde unas diminutas boquillas instaladas por toda la piel. Al mismo tiempo, la capa inferior de neodimio se electriza, haciendo que el fluido se solidifique y selle al usuario dentro de una coraza de hierro, protegiéndolo eficazmente de todo daño físico. El escudo es resistente a los disparos y a todas las formas de explosivos convencionales, pero es vulnerable al armamento basado en PEM.

Titan Shield en acción. Desde el Tráiler oficial de Deus Ex: Mankind Divided .

La segunda parte relativa al dimorfismo fluido magnetoreológico (MRF) parece bastante plausible: estos fluidos inteligentes, que combinan micro -partículas esféricas de hierro con nano -Los alambres de hierro del tamaño adecuado para evitar la sedimentación y aumentar su capacidad de respuesta al campo magnético externo son bien conocidos y pueden prepararse con relativa facilidad [1] .

Además, los MRF se utilizan en los sistemas de suspensión de los vehículos desde hace más de una década y son capaces de resistir los impactos físicos y amortiguar el impulso recibido [2] . El diseño típico sugiere poner un vástago con MRF dentro de una bobina que al electrificarse controla la solidificación [3] .

Pero la primera parte relativa a " imanes de tierras raras de nano malla " que puede activarse mediante el envío de impulsos eléctricos me pilló desprevenido. Pensaba que mientras los convencionales imanes a base de lantánidos son permanentes y tienen una permeabilidad constante en ausencia de campo magnético externo, nanoescala/ molécula única Los imanes también son permanentes y no pueden utilizarse para cambiar dinámicamente las propiedades reológicas del fluido magnetoreológico.

¿Existen ejemplos de imanes de una sola molécula con permeabilidad que pueda controlarse mediante la alteración del flujo de corriente como en el caso de los electroimanes? Si no es así, ¿hay alguna explicación de por qué no es posible?

Y sí, Pido esto :)

Referencias

1. Ngatu, G. T.; Wereley, N. M.; Karli, J. O.; Bell, R. C. Materia inteligente. Struct. 2008 , 17 (4), 045022. DOI: 10.1088/0964-1726/17/4/045022 .
2. Godasz, J.; Sapiski, B. Visión de los amortiguadores magnetoreológicos ; Springer, 2015 . DOI: 10.1007/978-3-319-13233-4 .
3. Liu, Q.; Jing, T.; Mo, A.; Xu, X.; Zhang, W. IEEE, 2015, ; pp 2495-2500. DOI: 10.1109/ROBIO.2015.7419714 .

Answer 1

¿Existe algún ejemplo de imanes de una sola molécula con permeabilidad que pueda controlarse mediante la alteración del flujo de corriente como en el caso de los electroimanes? Si no es así, ¿hay alguna explicación de por qué no es posible?

Respuestas cortas: no y todavía no .

Respuesta más larga, y advertencia de que estoy utilizando resultados recientes de mi grupo como referencia:

• Sí, existen imanes de una sola molécula, pero... El campo de los imanes monomoleculares está caliente, pero las temperaturas de trabajo de los imanes monomoleculares siguen estando por debajo del nitrógeno líquido. Las cosas parecen mejorar, pero no parece que lo hagan mucho. Véase en el gráfico siguiente cómo ha mejorado a lo largo de los años la temperatura máxima a la que se ha registrado la memoria magnética a largo plazo (para los imanes de un solo ion basados en lantánidos, que son los mejores imanes de una sola molécula en este momento). Aunque no hay consenso en que el magnetismo de una sola molécula a temperatura ambiente sea imposible, todavía no ha ocurrido, y no hay ninguna explicación de por qué no podría ocurrir en el futuro.

_ Temperatura máxima de histéresis magnética frente al año en que se informó del imán de molécula única. Gráfico generado dinámicamente por la aplicación web SIMDAVIS (AGPL-3.0): https://rosaleny.shinyapps.io/simdavis_dashboard/ [1]_

• Sí, el magnetismo de las moléculas puede controlarse mediante la electricidad, pero... En este trabajo, y en varios trabajos relacionados, Wernsdorfer y colaboradores muestran el control eléctrico (y la lectura eléctrica) del estado magnético de un imán de una sola molécula. [Sin embargo, esto ocurre a temperaturas inferiores a las del helio líquido, y la maquinaria necesaria sólo es capaz de hacerlo para una sola molécula a la vez. Además, el dispositivo es tan delicado que se necesitan cientos de intentos para trampa la molécula en la configuración correcta. Si el dispositivo se calienta por accidente, la molécula se pierde para siempre y hay que empezar de cero. De nuevo, no hay ninguna razón sólida por la que esto no pueda lograrse en algún momento en un futuro lejano. Como prometí, hay una forma alternativa de acoplar el estado magnético (de espín) de las moléculas a la corriente eléctrica, de la que informó recientemente mi grupo[3] En este enfoque, la helicidad molecular puede utilizarse para generar corriente magnética (como un electroimán molecular) y, en principio, esto podría emplearse para controlar el estado magnético de un imán de una sola molécula (de nuevo, en algún punto hipotético del futuro lejano).

• Para completar la respuesta Mientras que las aleaciones basadas en el neodimio se comportan muy bien, los imanes monomoleculares basados en el neodimio son, hasta ahora, muy superados por el disprosio, el terbio e incluso el erbio (véase la figura siguiente). Dado que existen razones fundamentales para ello, lo más probable es que cualquier tecnología futura que se parezca a la descrita en la pregunta se base en el disprosio (que a partir de mayo de 2021 ostenta el récord de imán de molécula única de mayor temperatura) o el terbio (el ion empleado en los ejemplos citados sobre el control eléctrico del magnetismo en las moléculas).

_ Temperatura máxima de histéresis magnética frente al ion lantánido. Gráfico generado dinámicamente por la aplicación web SIMDAVIS (AGPL-3.0): https://rosaleny.shinyapps.io/simdavis_dashboard/ [1]_

Referencias

1. Duan et al. Minería de datos, cuadro de mandos y análisis estadístico: un potente marco para el diseño químico de nanoimanes moleculares. Preprint en https://arxiv.org/abs/2103.03199 (2021).
2. Godfrin y otros, Operating Quantum States in Single Magnetic Molecules: Implementation of Grover's Quantum Algorithm, Phys. Rev. Lett. (2017) 119 , 187702, https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.119.187702
3. Torres-Cavanillas et al., Reinforced Room-Temperature Spin Filtering in Chiral Paramagnetic Metallopeptides, J. Am. Chem. Soc. (2020), 142 , 41, 17572-17580, [https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jacs.0c07531\]](https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jacs.0c07531%5D)