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

AI poprvé napsala vědeckou studii, která prošla recenzním řízením

Ještě před třemi lety nedokázaly umělé inteligence (AI) namalovat lidskou ruku tak, aby měla správný počet prstů. Letos se AI poprvé podařilo vydat vědeckou studii, která bez problémů prošla procesem recenzního řízení, u něhož narazí i celá řada lidských vědců. Vědci algoritmus popsali v odborném časopise Nature.
před 2 mminutami

Nový lék na spavou nemoc je přelom. V rozhovoru pro ČT vysvětluje jeho autorka, jak vznikl

Až do nedávna nebyla spavá nemoc snadno léčitelná. Nejúčinnější přípravek totiž asi pět procent léčených připravil o život. Teď ale vznikla nová látka, která tyto problémy nemá. A její autoři postavili potřeby pacientů nad možný zisk. Vědecká redakce ČT mluvila se Sandrou Rymbryovou, jednou z autorek nového přípravku, který může zachránit statisíce lidských životů.
před 1 hhodinou

Rozmnožování ve vesmíru bude složité. Spermie v mikrogravitaci ztrácejí orientaci

Rozmnožování ve vesmíru bude podle všeho složitější, než se čekalo, ukazuje nový výzkum australských vědců, o němž informuje agentura Reuters. Mikrogravitace totiž narušuje schopnost spermií orientovat se v pohlavním ústrojí a snižuje úspěšnost oplodnění.
před 4 hhodinami

VideoAI má nově předpovídat silné sluneční bouře

Umělá inteligence bude nově pomáhat družicím a astronautům. Nový model od IBM jménem Surya má umět předpovídat silné sluneční bouře. Právě ty mohou zničit satelity na oběžné dráze, elektrické vedení na Zemi a také ohrozit zdraví astronautů v kosmickém prostoru. Sonda SDO kontinuálně sleduje slunce přes patnáct let a každých dvanáct sekund pořizuje jeho snímky. Tato data za devět let – skoro 20 milionů gigabytů – využila společnost IBM k tomu, aby naučila AI model Surya odhalit zvýšenou sluneční aktivitu dřív než člověk. Odborníci však chtějí jít ještě dál. Aktuálně se tak obdobný model učí ze satelitních snímků Země. Cílem je lepší předpověď počasí a rychlejší reakce při přírodních katastrofách nebo vylepšení zemědělství.
před 10 hhodinami

Astronaut prozradil, že na ISS ztratil krátce schopnost mluvit

Astronaut Mike Fincke promluvil o tom, proč NASA vůbec poprvé provedla lékařskou evakuaci z Mezinárodní vesmírné stanice (ISS). A uvedl, že lékaři stále nevědí, co mu indispozici v podobě ztráty řeči přivodilo.
včera v 13:16

Indonésie zakázala mladým sociální sítě. Týká se to 70 milionů lidí

Indonésie o víkendu zavedla zákaz používání sociálních médií, který platí pro všechny děti mladší šestnácti let. Země, kde žije 285 milionů lidí, tak následovala příklad Austrálie v oblasti ochrany mladých lidí před potenciálními on-line riziky.
včera v 11:24

Na seznam chráněných zvířat přibylo čtyřicet druhů. Včetně sovy Harryho Pottera

Seznam mezinárodně chráněných zvířat podle Úmluvy o ochraně stěhovavých druhů volně žijících živočichů (CMS) se rozšíří o čtyřicet druhů, informuje agentura AFP. Patří mezi ně například i sovice sněžní, což je druh, který proslavila sova Harryho Pottera Hedvika.
včera v 10:23

Česko zaostává ve výdajích na vědu. Experti rozebrali příčiny i možná zlepšení

Výdaje na vědu a výzkum v Česku klesají. Podle nejnovějších dat Eurostatu dosáhl objem investic v této oblasti za rok 2024 necelých dvou procent HDP. To je nejmíň od roku 2017. Vědu a výzkum financuje v Česku hlavně soukromý sektor a jeho podíl chce současná vláda ještě posílit. Téma v Událostech, komentářích z ekonomiky probrali výkonný ředitel Prague.bio Jiří Fusek, výkonný ředitel Enovation David Kotris a akademický ekonom z think-tanku IDEA při CERGE-EI Daniel Münich. Svůj pohled připojil také předseda Akademie věd Radomír Pánek. Debatou provázeli Vanda Kofroňová a Milan Brunclík.
29. 3. 2026
Načítání...