现代磁体的功用不再限于吸引铁屑。新一代的磁性材料将不以金属为基础，而以新的有机分子为基础。

自从中国人在他们发明的指南针中首次利用磁石的磁性以来，磁体已经吸引了人们将近2000年。磁体广泛用于各种不同作业：从固定冰箱记录本及关门，到在软磁盘上储存信息等高度专门化的作业。无摩擦轴承、开关、电动机以及光盘上的音像记录器均离不开强磁性材料。人们需要大功率的电磁体来储藏能量，而超导的磁体则是物理、化学、医药中精密分析设备以及悬浮列车基底的重要元件。

对新的更好的磁体的需求，促使科学家不断地探索改善磁体的途径。近年来不但磁体用得愈来愈多，而且也取得了一些惊人的发现，使得人们对磁性的来源本身有了许多新的看法。按规则排列形成的一些固体有机分子可作为磁体的发现，即是其中之一。

事实上，所有材料均具有磁性。把大多数材料放入磁场中，它们均互相排斥，这种磁性——抗磁性很弱，并取决于外场的存在。

但是大多数人对磁体的理解并非如此。古代希腊人所以能判明磁石或磁铁矿（一种铁的氧化物，Fe3O4）为磁体，是因为后者对铁有吸引力，而且人们到现在还是这样来辨别磁体的。要了解这种磁性，我们必须考察组成磁体的原子或分子的电子结构。这种磁性是由电子的所谓自旋的特性所引起的。所有电子均有自旋，因而造成一个小的磁矩。一种固体是否为磁体，取决于材料的原子或分子中的电子自旋是如何相互作用的。

原子和分子均具有称为轨道的核周围的空间区域，每个轨道可容纳两个电子。电子总是按能量最低的原则填充到这些轨道上。如果自旋方向相反的电子成对，则电子对的磁矩即互相抵销掉。但是如果某原子、分子或离子的电子数为奇数，则其电子的自旋不会抵销，就会剩下净磁矩。

在大多数物质中，这样的分子或离子离得很远、它们的自旋不会相互作用。这种物质即为顺磁性物质，但在少数物质中，未成对电子的磁矩能相互作用，使得它们“相互配合”，产生强大的作用。有时，整个物质中的自旋按交变的方向排列，因此它们相互抵销，这样的物质称为反铁磁体，像抗磁体一样，其磁性甚弱，无任何实际用途。

但有时某种物质中的原子或分子具有能量相同的几个轨道，则当电子填入时，每个轨道填一个电子。所有这些未成对电子的自旋将自发作同向排列，这就使整个原子或分子形成一个大的磁矩。如果各个原子或分子上的自旋都同样排列，则这种物质就具有人们认识的磁体的一切特性，或更正确些说，具有铁磁体的一切特性。由于金属铁每个铁原子有数个未成对电子，当它们相互配合并作铁磁性的排列时就形成一个巨大的净磁矩，因此，铁是一种良好的铁磁体。

要使固体中的所有自旋作铁磁性排列或反铁磁性排列，自旋间的相互作用就必须比作用于各个电子的热能强，后者会使电子的自旋相互碰撞，呈混乱状态，不再排列整齐。这种热能随温度而增大，但自旋间的相互作用通常与温度无关。这就意味着高于某一临界温度——对于铁磁体称为居里温度（Tc），对于反铁磁体则称为奈耳温度（TN），热能就会克服自旋的相互作用，使材料变为顺磁性材料。因此，作为一种有实际应用价值的铁磁体，还必须有高于400 K左右的居里温度（室温为300 K左右）。例如，用于涂磁带的二氧化铬，是一种居里温度为387 K的铁磁体。而铁有更高的居里温度——1043 K。

正在寻求新一代铁磁体的研究工作者，必须找出一种满足所有这些条件的原子或分子的组合。已经出现了以分子或离子为基础，而不是以金属为基础的铁磁体的若干设计方案。这甦想法源于对具有超导性等特异性能的有机物的研究。超导性也是由于物质中电子的配合而产生的（不过是以另一种方式配合）。

迄今为止，研究工作者仅找到一种这样的磁体——称为四氰乙烯+甲二茂铁，即{FeⅢ[C5(CH3) 5] 2}+ [TCNE]-。1984年我们在特拉华州威尔敏顿杜邦中心研究所，用十甲二茂铁FeⅡ[C5(CH3) 5] 2与四氰乙烯TCNE在乙腈或四氢呋喃等溶剂中反应，制得这种分子，其磁性的关键在于其结构。每个分子由两个离子团组成：也就是，两个离子各有一个未成对电子，一个在铁原子上，一个在TCNE上。该盐具有链状结构，其中较为扁平的TCNE离子夹在更为复杂和松散的二茂铁离子中间。每一个链或是紧挨着同一种链，两个链里的正离子或负离子处于相邻状态；或是紧挨着移动过一个“单元”的链，一个链内的正离子与相邻链内的负离子相邻，这意味着未成对电子不仅可在离子对间相配合，从而在整个链内相配合，而且可以在链与链间相配合。作为整个磁体的物质，这种电子间的三维的配合是必不可少的，在低于其居里温度4.8 K（对其中每个铁原子而言）时，该化合物的磁性比金属铁大三分之一。其所以有额外的强度，只能作这样的推断：它的每一个离子上的自旋均按同一方向排列。二茂铁盐也显示常见磁性材料的一些特性；能为其它磁体所吸引等。

研究工作者对发现二茂铁盐感到兴趣，还有一些其他的原因。常用的磁体均以铁等重金属为基础，后者的原子是相互结合在一个三维网状组织中，在整块金属中，铁原子以短键在许多方向上互相结合，作规则排列，紧密地堆积在一起。电子很容易在整个网状组织中移动，但这种独特的二茂铁盐没有这种网状组织；作为一种盐，其离子只是依靠异号电荷的作用松散地结合在一起。当其溶解于四氢呋喃或二氯甲烷等传统的有机溶剂时，完全像岩盐溶于水得到钠离子和氯离子那样，离解成其组分离子，而在岩盐里离子离得远，电子不易在其间运动。

这种独特盐类的发现，迫使研究工作者重新考虑一向用以描述铁磁体性状的方式。制造这种盐类的想法，还须追溯到六十年代后期，当时在加利福尼亚技术学院工作的美国化学家哈登 · 麦孔热尔开始考虑：固体中有链状结构的盐可能会有作铁磁性排列的自旋。他认为：如果某个离子有两个能量相同的分子轨道，则电子在离子间的转移将会使其间未成对电子的铁磁性排列稳定化。

四年前，牛津郡狄特库德的哈威尔实验室的约翰 · 哈伯德，对磁石等氧和重金属组成的二维键合的化合物之所以有磁性曾提出过类似的解释。磁石——天然磁铁是含有几个带不同电荷的铁原子的铁的氧化物。它是磁性的一种特例，其自旋偶合，各自反向，就像在反铁磁体中那样，但其性质却像较强的铁磁体。

其作用是这样的：一个分子或离子可有不止一个的未成对电子。如果有几个能量相同的轨道，则电子的分布将占据尽可能多的轨道（洪特规则）。例如，金属锰的一些离子，有五个这样的电子。这五个未成对电子会相互作铁磁性的组合。但它们也可能与其它分子或离子作反铁磁性的偶合，例如，锰就会跟只有一个未成对电子的铜作反铁磁性的偶合。这就意味着，依然剩余若干未成对电子（这里，剩余四个），故所得材料将呈磁性，更正确地说，将呈铁磁性。

1987年，我们提出，像在离子对间转移一样，电子也会在链内以及相邻链间带相反电荷的离子间上下转移。这种理论扩充了组成磁体的离子概念，这就提供了{FeⅢ[C5(CH3) 5] 2}+ [TCNE]-何以具有铁磁体性能的解释。根据这一理论可以想见，如果加两个电子，就将出现反铁磁性——非铁磁性。为了检验我们的理论，我们用镍来代替该盐里的铁原子以加进两个电子。正如我们所预料的，这种盐就变成反铁磁性的了。

世界各地的另一些研究工作者目前正热衷于由有机分子制造磁体。他们正沿着不同途径来探索解决这一问题，1968年，京都大学的家图无介以及后来东京大学的美浓木下及其小组研究了以两个相连的碳环为基础的有机化合物——galvinoxyl。由于连接在一个环上的氧原子有一个未成对电子，该分子具有净自旋_根据它的磁性，我们可以认为在低于一定的温度时其性能就像铁磁体一样。但在低温时，该结晶即碎裂，其磁性即发生变化（研究工作者还不了解其原由所在）。

远在1962年，新泽西州贝尔电话实验室的埃德尔 · 瓦塞尔曼及其同事们对重氮基化合物进行了一些颇有意义的研究。这类物质含有两个连接在破原子上的氮原子的基团。当研究工作者用紫外光分裂碳原子和氮原子间的键时，即产生称为碳烯的各自有两个未成电子的不稳定碎片。由于这二个电子是处在能量相同的两个不同轨道上，所以未成对电子的自旋按同一方向排列。后来，贝尔实验室的研究工作者和大阪大学的教智爱渡把这工作推进一步。他们用紫外光分裂带有不止一个重氮基的分子，从而产生具有几个碳烯和两个以上自旋的更复杂的分子。大阪大学的爱渡和野留又贺提出，带有几个重氮基的长分子可能有许多铁磁性配合的相邻自旋。到了1983年，沃克崎的分子科学研究所的秀图岩村与爱渡合作，制造了多达五个重氮基的分子，并证实了它们的自旋正如假定的那样排列。但迄今还没有人能制造出不同分子的自旋互相配合的固体，使之总体呈磁体的性能。

自此之后，许多热心的研究工作者曾试图制备更长的分子，但他们的尝试受到了一些问题——怎样制备这些分子及用什么溶解它们——的阻碍。长链是必需的，正如美国和英国的理论家在七十年代末和八十年代初所预言的那样，非磁性的杂质会降低磁体的居里温度。我们最近用没有未成对电子的钴来代替盐里的铁的试验证实，如果链内缺自旋，则其居里温度即剧烈降低。

然而主要问题还不是缺自旋，而是要保证分属于不同分子的电子的自旋作磁性排列，不使电子配对成键。1977年，苏联科学院的阿列克赛 · 俄甫钦尼可夫提出了制备长链分子或聚合物的想法，这种链状分子沿着链应该有大量的未成对电子，它们的自旋应作铁磁性排列。由于未成对电子彼此靠得很近，足以配对形成化学键，所以制造这种分子十分困难。尽管如此，一些研究工作者仍然坚持尝试制备以聚丁二炔为基础的这种分子。化学工作者已经知道，聚乙炔和丁二炔——更迭键为双键的有机分子具有导电及非线性光学响应等颇有意义的电学性质。俄甫钦尼可夫及其同事们试图把一串称为二硝基氧丁二炔（dinitroxyldiacctylene）的分子连起来，但失败了，他们无法重现他们的结果。

研究非碳原子为基础的分子的其他化学工作者，阐明了制备有大量未成对电子、自旋作磁性排列的物质的想法，其方法略有不同。七十年代中期，牛津大学的彼得 · 戴及其小组研究了含有铷、铬和氯离子、化学式为Rb2CrCl4的复杂无机物。它是层状结构，其中每个铬离子有四个作铁磁性组合的未成对电子自旋。这种引人注目的铁磁体，有较高的居里温度（60 K），呈透明状。在南巴黎大学工作的奥莉维 · 卡亨设计了按网状结构排列的以锰和铜，或铬和镍等重金属为基础的分子。佛罗伦萨大学的但丁 · 格梯西正在研究金属离子与氧化氮（NO）分子的结合，NO分子中在氮和氧间共用一个未成对电子。迄今为止，这些研究工作者已经制备了电子自旋作铁磁性排列的小分子，但还没有人能制得分子态磁体。卡亨领导的研究小组用不同的金属离子，格梯西领导的研究小组用金属离子和氮氧基，也都制备了一些铁磁性很强的材料。

虽然关于有机磁体或分子磁体（或聚合物磁体）的国际性研究主要还完全是探索性的，但这些发现的技术进展可能是以磁性为基础的器件和运用的新阶段的开端。但在得以发展这些新工艺以前，研究工作者首先必须探索提高新材料临界温度的途径。

这类材料的应用，显然得用大的磁体。从工业上来看，最好的磁体既要能量高，又要体积小。但新的磁性材料不像通常的磁体那样紧密。此刻，研究工作者还没有看出这些材料能跟以铁为基础或由钐 - 钴或钕 - 铁 - 硼等重金属组成的合金为基础的现有磁体相竞争。

然而，新的磁性材料有另外一些优点。例如，它们有高的矫顽磁场。矫顽磁场是逆转磁性自旋排列方向所必须自物质外部施加的最小磁场。对这类材料，必须施加较大的磁场，方能逆转磁化方向。这种倒向正是磁带中发生的。如果研究工作者能够把新的磁性材料的临界温度提高至室温以上，则即可适用于制造稳定的磁性记录装置。

目前看来，今后最受欢迎的储存信息的装置将是光盘。其中研究工作者开发的一种技术即依赖于磁光效应。即像磁带那样，只要改变磁化方向，用来在磁盘上存储或读取信息的光的偏振极就会发生可察觉的变化，这是可记录的小型磁盘的基础。这种效应完全取决于物质的磁性。迄今科学工作者还没有发现有机磁体或分子态磁体有磁光效应。但他们预期能够找到。如果这一目的能够达到，则新的磁体将成为未来许多工业技术的基础。

[New Scientist，1990年6月23日]