轉載自Institute of Multidisciplinary Research for Advanced Materials（IMRAM） 2026.11.10

水通常不被視為具有磁性的物質。然而，由日本東北大學多元材料科學高等研究所（Institute of Multidisciplinary Research for Advanced Materials）研究團隊領導，並與國立臺北科技大學（Taipei Tech，北科大）合作的一項最新研究發現，水分子只要發生微小的排列方向變化，就能啟動原本並未直接鍵結的金屬離子之間的磁性交互作用。

這項發現為化學家提供了一種令人驚喜的新方法：未來不必仰賴強烈的化學鍵直接連接磁性離子，而可能只需運用常見的氫鍵（Hydrogen Bonding），就能在離子之間建立磁性交互作用的連結。

「我們發現，彼此相距較遠的磁矩（Magnetic Moments），能夠透過氫鍵產生交互作用，而且這些作用可以藉由調控水分子的排列方向來控制。」東北大學多元材料科學高等研究所副教授 Kazuhiro Nawa 表示，「這讓我們找到一種新的化學途徑，不必透過強化學鍵直接連接磁性離子，也能調控材料的磁性。」

分子磁體（Molecular Magnets）是由個別分子所構成的材料，每個分子都能如同微小的磁性單元般運作。由於化學家可以調整分子的元素組成、配位基（Ligands）及晶體排列方式，因此分子磁體為設計新型磁性行為提供了高度彈性的研究空間。

然而，過去科學家主要關注的是透過磁性離子直接接觸，或經由強共價鍵（Covalent Bonds）所形成的磁性交互作用。相較之下，氫鍵等較弱的分子間作用力，雖然普遍存在於分子材料中，但其是否能在相距較遠的離子之間傳遞磁性交互作用，過去仍缺乏深入了解。

研究團隊因此提出一項研究假設：氫鍵本身是否能夠作為橋梁，即使銅離子之間沒有透過強化學鍵直接連接，仍能傳遞彼此之間的磁性交互作用？

水分子排列改變，形成磁性配對

為了驗證這項假設，研究團隊合成兩種含氟的鉗形配位銅（II）錯合物（Fluorinated Pincer-type Copper(II) Complexes），分別命名為 2FH-CuCl₂·H₂O 與 3F-CuCl₂·H₂O。

研究人員運用單晶X光繞射（Single-crystal X-ray Diffraction）及中子繞射（Neutron Diffraction）技術，並透過日本 JRR-3 研究用反應爐的 4G-GPTAS 儀器進行實驗，觀察這兩種化合物的晶體結構如何隨溫度變化。

研究發現，在室溫下，附著於銅離子周圍的水分子朝向呈現多種無序排列，使整個晶體中的氫鍵結構維持均勻狀態。

然而，當溫度降至 260 K（約攝氏零下13度）以下時，水分子會迅速轉變為有序排列。這項結構變化使原本均勻的氫鍵網絡分裂成兩種不同類型，並進一步促使相鄰分子形成配對。

磁性量測結果也證實了這項結構變化所帶來的影響。研究團隊發現，兩種化合物的磁化率（Magnetic Susceptibility）在約 5 至 7 K（約攝氏零下268至零下266度）時出現寬廣峰值，隨後逐漸下降並趨近於零。這是**反鐵磁性配對（Antiferromagnetic Pairing）**的典型特徵，代表配對分子的磁矩方向相反，彼此抵銷。

實驗數據符合磁性雙體模型（Magnetic Dimer Model），其交互作用強度約為 10 K；此外，密度泛函理論（Density Functional Theory, DFT）計算也指出，氫鍵網絡很可能就是傳遞這種磁性交互作用的途徑。

北科大參與研究，揭示水分子排列與磁性形成的關鍵關聯

本研究共同通訊作者、國立臺北科技大學教授 Norman Lu 表示：「這項研究一個值得注意的成果，是明確發現水分子的有序排列與磁性配對形成之間存在直接關聯。由於室溫下的晶體結構並不允許分子形成配對，因此當我們在磁化數據中觀察到反鐵磁性配對時，確實感到相當驚訝。直到進一步深入研究水分子本身的排列情形，才解開了這項看似矛盾的現象。」

這項發現的重要性，在於為磁性材料的設計提供了一個全新的調控方向。過去研究人員主要依賴強烈且直接的化學鍵連接磁性離子；如今，則有機會運用化學中最常見、也最容易調整的分子間作用力之一——氫鍵，在晶體內較長距離的範圍中傳遞磁性交互作用。

此外，透過氟化（Fluorination）及其他化學取代方式，可以改變分子的堆積排列及氫鍵形成方式，進一步系統性探討微小的結構調整如何引發顯著的磁性變化。

除了磁性研究之外，這項策略也有望應用於其他功能性分子材料的研究，特別是那些容易受到細微結構變化影響，進而產生顯著物理或化學性質變化的材料。

論文發表資訊

論文名稱：

Formation of antiferromagnetic spin dimer induced by orientation ordering of water molecule in fluorinated pincered Cu(II) complexes

作者：

Kazuhiro Nawa*、Dongge Zheng、Katsuki Kinjo、Chun-Wai Tsang、Pin-Xiang Zeng、Gurumallappa Gurumallappa、Norman Lu*、Taku J. Sato

期刊： Inorganic Chemistry

DOI： 10.1021/acs.inorgchem.6c01062

新聞來源：https://www2.tagen.tohoku.ac.jp/lab/en/news_press/20261110-water/