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

Archeologové objevili prastarou nekropoli. Může být předkem megalitických hrobů

Desítky zesnulých do pravěké nekropole na jihu Evropy tehdejší obyvatelé ukládali do země zřejmě celé generace. Detailní analýza tohoto místa naznačuje, že mohlo být jedním z prvních v Evropě, kde vznikala kultura, která ovlivnila většinu kontinentu.
před 12 hhodinami

Meč nebes je nejvyšším stromem Asie. Je větší než Petřínská rozhledna

Nejvyšší stromy na Zemi mohou být vyšší než většina staveb, které vytvořili lidé. Platí to také pro nově popsaný nejvyšší strom v Asii, který teď přeměřili tchajwanští vědci.
před 15 hhodinami

Kůže ještěrek umí triky s ultrafialovým světlem. Funguje jako maják, popsali čeští vědci

Vědci z Univerzity Karlovy v Praze a univerzity ve Valencii objevili zatím neznámý mechanismus tvorby barev u ještěrek rodu Podarcis. Popsali, že ultrafialově modré skvrny na bocích těchto ještěrek vznikají neobvyklou interakcí mezi pigmenty a mikroskopickými odrazivými strukturami v kůži.
před 16 hhodinami

„Výkop století.“ Francouzští archeologové zkoumají podzemí u Notre-Dame

Fronta turistů strádající pod sluncem čeká, až bude moci vystoupat na katedrálu Notre-Dame a prohlédnout si její chrliče. Čtyři metry pod nimi míří tým archeologů opačným směrem – kope přímo dolů a zpět v čase do Paříže z doby starověkého Říma před dvěma tisíci roky, píše agentura AP.
před 19 hhodinami

Astronaut Svoboda poletí na ISS v roce 2027, oznámil Babiš

Projekt Česká cesta do vesmíru v pondělí prezentoval vývoj příprav české mise na Mezinárodní vesmírnou stanici (ISS) a avizuje klíčové milníky pro rok 2027. Tiskové konference v pražském planetáriu se zúčastnili premiér Andrej Babiš (ANO), ministři Karel Havlíček (ANO), Robert Plaga (za ANO) a Jaromír Zůna (za SPD), budoucí astronaut Aleš Svoboda, astronaut Evropské kosmické agentury (ESA) Andreas Mogensen a další.
8. 6. 2026Aktualizováno8. 6. 2026

Vědci přejmenovali syndrom, který ničí ženské zdraví. Může to změnit přístup i léčbu

Lékaři po jedenácti letech studie změnili název syndromu, který trápí asi deset procent žen. Doufají, že by to mohlo změnit nejen stigmatizaci těchto problémů, ale také jim pomoci k účinnější léčbě.
8. 6. 2026

Svoboda roky trénoval. Ve vesmíru provede řadu experimentů

Aleš Svoboda poletí do vesmíru nejen jako pasažér, ale přímo jako pilot. Jako špičkový pilot stíhacích letadel k tomu má ty nejlepší předpoklady. Jeho mise ale nebude spočívat jen v řízení. Svoboda hlavně bude dohlížet na celou řadu vědeckých experimentů.
8. 6. 2026

Psychická pohoda českých dětí se zhoršuje. Šťastně se cítí polovina

Psychická pohoda dětí a dospívajících v tuzemsku se zhoršuje, šťastně se cítí asi polovina z nich. Více než 60 procent dětí zároveň tráví on-line více času, než by chtěly, vyplývá z průzkumu Mladé hlasy 2026, jehož hlavní závěry nyní odborníci představili v Praze na konferenci zaměřené na duševní zdraví. Výzkum UNICEF ČR realizuje od roku 2001, letos se konal poosmé. Zapojilo se do něj 1012 dětí ve věku od devíti do 17 let.
8. 6. 2026
Načítání...