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

Americká vědkyně vytvořila umělé buňky, které se umí samy rozmnožovat

Dělí se, replikují svůj genom, vypadají jako živé. Ale tyto buňky vznikly pod rukama vědců v laboratoři. Od opravdového umělého života je sice dělí ještě propast, ale jsou prvním náznakem toho, jak by v budoucnosti mohl vypadat.
před 9 hhodinami

Obři na jídelníčku. První obyvatelé Ameriky byli specialisté na lov megafauny

Nejstarší původní obyvatelé Ameriky se velmi úzce potravně specializovali.. Kamkoliv na tomto kontinentu vkročili – od Aljašky až po nejjižnější části Latinské Ameriky – tam lovili tu největší možnou kořist. Tedy zvířata, která se dnes označují za megafaunu.
před 11 hhodinami

Tři mohyly, 150 generací pohřbívání. Čeští archeologové popsali unikátní místo

Více než čtyři a půl tisíce let se pravěké civilizace vracely na pohřebiště v polských Muszkowicích. Na dlouholetý význam tohoto posvátného místa přišli společně čeští a polští archeologové. Zatímco většinu podobných mohyl v tuzemsku zničilo intenzivní zemědělství, v Muszkowicích se pohřebiště dochovala včetně nadzemních částí.
před 13 hhodinami

Bakteriofágy pronikají do zlatého stafylokoka jako „vesmírní mariňáci“

Otázku, jak zabít zlatého stafylokoka, tedy nebezpečnou bakterii, která v Česku připraví o život až stovky lidí ročně, pomáhá zodpovědět nový výzkum vědců z CEITEC Masarykovy univerzity. Ti odhalili, jak bakteriofágy – viry napadající bakterie – překonávají mimořádně silnou buněčnou stěnu bakterií, mezi které patří právě i zlatý stafylokok.
před 15 hhodinami

V tropickém Pacifiku nastaly podmínky jevu El Niňo, uvedli výzkumníci

V tropickém Paficiku nastaly podmínky klimatického jevu El Niňo, uvedla novozélandská výzkumná organizace Earth Sciences (ESNZ). Varovala také, že dopady na počasí na Novém Zélandu se v nadcházejících měsících pravděpodobně zintenzivní, připojila agentura Reuters. ESNZ se oznámením výskytu El Niňa v sezonní klimatické předpovědi připojila ke svým protějškům v Austrálii, Japonsku a USA, napsal web RNZ.
včeraAktualizovánopřed 17 hhodinami

Nebyl to vrah, ale prvok. Vědci vysvětlili záhadnou renesanční smrt

Dva z nejmocnějších mužů renesanční Itálie zemřeli ze stejného důvodu. Prokázala to studie, jejíž autoři zkoumali ostatky synů Cosima di Medici. U jednoho z nich se spekulovalo o vraždě arzénem, ale vědci teď dokázali, že to byla malárie.
1. 7. 2026

První důkaz o obřích dinosaurech v Antarktidě ležel roky v šuplíku

V Antarktidě žili v pravěku dinosauři – to je obecně známé tvrzení, za kterým se ale skrývá spousta problémů. Vědci o tom totiž vědí nečekaně krátkou dobu a důkazů je mnohem méně, než se tuší. Paleontologové teď popsali, jak náhodný byl objev prvního obřího antarktického dinosaura.
1. 7. 2026

Meteorologové překopali systém výstrah

Od středy 1. července 2026 přechází Český hydrometeorologický ústav na nový výstražný systém. Ten dosavadní byl založený na klimatologických měřítcích, ten nový se ale soustředí už hlavně na dopady těchto nebezpečných meteorologických a hydrologických jevů. Změn je ale víc.
1. 7. 2026

Evropský pohled