Čeští vědci našli novou cestu, jak řídit magnetické a elektronické vlastnosti molekul

K vybuzení změny elektronického stavu molekul se dosud používaly vnější zdroje jako světlo, teplota, tlak nebo magnetické pole. Čeští experti však přišli s revoluční cestou: využívají interakce molekul s obyčejným uhlíkem. Jejich práci nedávno zveřejnil časopis Nature Communications.

  • Na nejnovějším výzkumu se podíleli vědci z Regionálního centra pokročilých technologií a materiálů (RCPTM) Univerzity Palackého v Olomouci a Fyzikálního ústavu a Ústavu organické chemie a biochemie (ÚOCHB) AV ČR v Praze.

„Možnost opakovaně měnit elektronickou strukturu molekul a jejich magnetické vlastnosti zajímá vědce posledních několik desetiletí díky velkému aplikačnímu potenciálu. Takové přepínání z jednoho magnetického stavu do druhého je s ohledem na malou velikost molekul velmi obtížné, ale zároveň velmi důležité pro vývoj budoucích molekulárních počítačů,“ uvedl Pavel Jelínek z Fyzikálního ústavu AV ČR a Regionálního centra pokročilých technologií a materiálů (RCPTM). Molekulární přepínače nabízejí uplatnění v nanoelektronice, biologii nebo medicíně.

Jak to funguje?

Různé vlastnosti molekul, ale i jejich aktivita jsou určeny uspořádáním elektronů, které se v molekulách pohybují po přesně daných dráhách. Molekuly obsahující takové dráhy obsazené pouze jedním nepárovým elektronem vykazují magnetické vlastnosti. Naopak molekuly, které mají ve všech dráhách dva spárované elektrony, jsou nemagnetické.

„Prozatím se proces přepnutí vyvolává použitím technologicky náročných vnějších zdrojů. My jsme k přepnutí použili jedinou atomární vrstvu tuhy – grafenu, v jehož struktuře jsme některé atomy uhlíku nahradili atomy dusíku. Změnou polohy molekuly jsme pak schopni vratně přecházet z magnetického stavu na čistém grafenu do nemagnetického v oblastech dusíkových atomů. Navíc se nám poprvé podařilo tyto změny uspořádání elektronů v molekule pozorovat pomocí mikroskopu atomárních sil. Je to bezesporu velký posun v možnostech rozlišení mikroskopických rastrovacích technik,“ objasnil Jelínek.

Vlastnosti molekul se obvykle ladí vhodnou chemickou úpravou, která vede ke změně chemického složení molekuly, tj. zániku starých a vzniku nových chemických vazeb v molekule. V těchto silných interakcích, dochází ke sdílení elektronů, které se na vazbě podílejí. Tento přístup se však nedá uplatnit při vývoji molekulárních přepínačů, protože chemická úprava vyvolá nevratnou změnu.

Čeští vědci se proto rozhodli využít takzvaných slabých nekovalentních interakcí, přestože se o nich doposud jako o možném zdroji pro vyvolání změny magnetického stavu molekuly neuvažovalo.

„Ukázalo se, že při použití cyklických molekul na bázi porfyrinů s centrálním atomem železa dojde k přeskupení elektronů, pokud se taková molekula umístí nad dusíkový defekt ve struktuře grafenu. Kombinací teoretických výpočtů i experimentálních měření jsme potvrdili, že nekovalentní interakce mezi atomy železa a dusíku je dostatečně silná pro vyrušení magnetismu a současně dostatečně slabá, aby umožnila opětovný přechod molekuly do magnetického stavu, jakmile se tato vrátí nad čistý uhlíkový povrch grafenu,“ řekl světově uznávaný odborník na nekovalentní interakce Pavel Hobza z RCPTM a z Ústavu organické chemie a biochemie AV ČR.

K čemu? Na nové léky a lepší materiály

Tato cesta řízení vlastností molekul, aniž by došlo k jejich nevratné chemické úpravě, otevírá možnosti i v dalších oblastech použití. „Elektronická struktura ovlivňuje nejen magnetické, ale i optické, katalytické, elektrické nebo biologické vlastnosti molekul. Chemicky upravený grafen by tak mohl sloužit k vývoji nových optických senzorů, fotoluminiscenčních materiálů, katalyzátorů nebo léčiv,“ nabízí možné aplikace ředitel RCPTM Radek Zbořil.

Jeho tým stál v nedávné době u řady dalších přelomových výsledků v oblasti studia grafenu a magnetismu materiálů. Ve stejném časopise Nature Communications zveřejnil například práce popisující využití grafenu k vývoji prvních nekovových 2D magnetů nebo nejmenších částic magnetických kovů.

Výběr redakce

Aktuálně z rubriky Věda

Stárnoucímu Česku dojdou mladí lidé, ukazují velká data

Během pouhých deseti let začne odcházet do důchodu silná generace Husákových dětí. Přinese to zásadní demografickou proměnu, která změní celou českou společnost. Nejenže bude méně lidí na to, aby vydělávali na penze stále rostoucí skupině, ale především bude potřeba mnohem více sociální péče pro seniory.
10. 1. 2026Aktualizovánopřed 6 hhodinami

První lidé lovili pomocí jedu už před 60 tisíci lety

Lidé druhu Homo sapiens na jihu Afriky používali už před šedesáti tisíci lety otrávené šípy. Dokázali to švédští vědci na základě nálezu takových zbraní na území dnešní Jihoafrické republiky. O nejstarším nálezu svého druhu informovali v článku, který zveřejnil odborný časopis Science Advances.
před 7 hhodinami

„Sedmé nebe“ je úplně nový druh vesmírného objektu

Galaxie, která selhala, respektive oblak temné hmoty z počátku vesmíru – tak astronomové popisují vzdálený kosmický objekt, který objevili. Dali mu název Cloud-9, což by se dalo do češtiny nejlépe přeložit jako „Sedmé nebe“.
včera v 08:00

Čeští vědci navrhli řešení klimatické změny. Klíčem je kácení severských lesů

Vědci navrhli prozkoumat možnost ukládání uhlíku pomocí splavování masy vykácených stromů do Severního ledového oceánu z lesů, které rostou v povodí sibiřských veletoků Obu, Jeniseje a Leny a severoamerických řek Yukonu a Mackenzie. V této oblasti se nachází asi sto gigatun uhlíku, který je uložený ve dřevě stromů. Vykácením přibližně jednoho procenta těchto lesů a splavením kmenů do oceánu by bylo možné snížit množství emisí o jednu gigatunu, tedy desetinu emisí vypuštěných lidstvem za rok.
10. 1. 2026

Dvacet pod nulou, nebo jen pět? Předpovědi počasí na příští týden se silně liší

Úspěšnost předpovědí počasí se v posledních letech zásadně zlepšila. I tak se ale vyskytne situace, která představuje i pro nejmodernější předpovědní modely a zkušené meteorology značnou výzvu. Momentálně se týká příštího týdne.
9. 1. 2026

Genetická šifra mistra Leonarda. Vědci možná získali jeho DNA

Mezinárodní vědecký tým našel s pomocí velmi detailních analytických metod stopy DNA na kresbě připisované renesančnímu géniovi Leonardu da Vincimu. Mohly by patřit samotnému mistrovi a univerzálnímu učenci, k identifikaci jeho DNA ale ještě zbývá daleká cesta. O studii informoval časopis Science.
9. 1. 2026

NASA stahuje posádku Crew-11 zpět na Zemi kvůli zdravotnímu stavu astronauta

Americký Národní úřad pro letectví a vesmír (NASA) se rozhodl pro předčasný návrat čtyřčlenné posádky mise Crew-11 z Mezinárodní vesmírné stanice (ISS) na Zemi kvůli zdravotnímu problému astronauta. Napsala o tom agentura AP. Člena posádky, který je nyní ve vesmírné laboratoři na oběžné dráze ve stabilizovaném stavu, NASA kvůli ochraně soukromí pacienta nejmenovala a nesdělila podrobnosti o jeho zdravotním problému. Návrat americko-rusko-japonské posádky na Zemi se uskuteční v příštích dnech.
8. 1. 2026Aktualizováno9. 1. 2026

Emise z letecké dopravy lze snížit bez úbytku cestujících, navrhují vědci

Pro výrazný pokles skleníkových plynů z letecké dopravy by stačilo zavést jen několik jednoduchých pravidel, tvrdí švédská studie. Letecká doprava tvoří sice jen asi čtyři procenta celkových emisí skleníkových plynů v Evropské unii, představuje ale jeden z nejrychleji rostoucích zdrojů. Vědci nastiňují tři teoreticky jednoduché změny, kvůli kterým by lidé nemuseli omezovat četnost cestování.
8. 1. 2026
Načítání...