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

Vědci popsali nejdelšího dinosaura jihovýchodní Asie. Je větší než tyrannosaurus

Výzkumníci v Thajsku identifikovali dosud neznámý druh dinosaura. Byl největší v jihovýchodní Asii a vážil přibližně tolik jako čtyři sloni afričtí. O poznatcích publikovaných ve vědeckém časopisu Scientific Reports informovala americká veřejnoprávní rozhlasová stanice NPR.
před 7 hhodinami

Před dvaceti lety varoval Al Gore svět před klimatickou krizí

Před dvaceti lety vstoupil do kin dokument, který zásadně proměnil veřejnou debatu o změně klimatu. Snímek An Inconvenient Truth („Nepříjemná pravda“) s bývalým americkým viceprezidentem Alem Gorem v hlavní roli se v roce 2006 stal globálním fenoménem. Pro miliony lidí šlo o první setkání s představou, že klimatická změna není vzdáleným problémem budoucnosti, ale procesem probíhajícím právě teď. O dvě dekády později se ale nabízí otázka: Jak dobře film obstál ve světle aktuálních poznatků?
včera v 10:00

V prvním kole přijímacích zkoušek na střední školy uspělo více zájemců než vloni

V prvním kole přijímacích zkoušek na střední školy uspělo 93,3 procenta žáků, kteří se hlásili z devátých tříd základních škol. Je to podobně jako loni, kdy jich podle aktualizovaných dat bylo 92,9 procenta, informovala v pátek v tiskové zprávě státní organizace Cermat. Do čtyřletých a kratších oborů letos školy přijaly 89,8 procenta uchazečů. Je to více než v roce 2025, kdy bylo podle aktualizovaných dat Cermatu přijato 87,9 procenta uchazečů.
15. 5. 2026Aktualizováno15. 5. 2026

Restaurování hrobek v egyptském Luxoru odhalilo malby z 18. dynastie

Po dokončení restaurátorských prací v hrobce Samuta v nekropoli El Chocha na západním břehu Nilu v Luxoru se znovu objevilo několik staroegyptských maleb. Fresky na stěnách komplexu zachycují výjevy z každodenního života, pohřebních rituálů i náboženské motivy egyptské civilizace z doby před zhruba 3500 lety.
15. 5. 2026

Obavy z hantaviru zesiluje zkušenost s pandemií covidu-19, upozorňují experti

„Kolektivní pandemická paměť“ vyvolává ve společnosti obavy spíše kvůli vzpomínkám na to, co se stalo, než kvůli skutečné situaci. Odborníci na sociologii a psychologii vysvětlují, jak vzniká někdy iracionální strach, a varují před dalším velkým „virem“ – dezinformacemi.
15. 5. 2026
Doporučujeme

Voda na měsících Jupiteru a Saturnu mrzne do podoby štrůdlu, popsali čeští vědci

Dvojice českých geofyziků ve spolupráci se zahraničními vědci provedla originální experiment. Pokusila se v něm vytvořit podmínky, které panují na měsících Europa a Enceladus. A zjistit tak, jak vypadá ledová krusta, která pokrývá oceány v místech, kde by mohl být život a jež chce lidstvo zkoumat. Závěry pokusu jsou varováním pro mise, které by na měsících Jupiteru a Saturnu měly v budoucnu přistát.
15. 5. 2026

Řada zvířat využívá město pravidelně, mimo pozornost lidí, ukázal výzkum

Soužití lidí a volně žijících zvířat ve městech se neodehrává náhodně, ale řídí se jasnými zákonitostmi. Ukázal to tříletý výzkum brněnských vědců, kteří sledovali pohyb zvířat v městském prostředí. Nově vzniklá databáze má pomoci například s prevencí škod způsobených přemnoženými divokými prasaty. V jihomoravské metropoli jich je aktuálně přes tři stovky.
15. 5. 2026

Sysli mizí z Evropy. Škodí jim moderní zemědělství, chráněná území nestačí

Nový výzkum českých biologů z Akademie věd popsal, jak a proč mizí z Evropy sysli. Mají sice rádi obdělávanou půdu, moderní zemědělství spojené s těžkou technikou, monokulturami a zhutněním půdy jim ale neprospívá.
15. 5. 2026
Načítání...