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

Alternativní medicína proti rakovině nepomáhá. Ani v kombinaci s moderní léčbou

Lidé, kteří kombinují alternativní metody s těmi, jež přináší moderní lékařství, mají nižší pravděpodobnost přežití rakoviny než ti, kteří se léčí jen klasicky. Prokázal to americký výzkum na více než dvou milionech pacientkách.
před 12 hhodinami

Íránský jaderný program spustily západní země. Hrozbou se stal až s ajatolláhy

Už třetinu století čelí Írán podezření, že se snaží získat jadernou zbraň. Obávají se toho nejen velké západní velmoci a Izrael, ale také – a možná ještě víc – jeho sousedé. Jeho snaha o ovládnutí energie z jádra začala ještě v době, kdy ajatolláhové Persii nevládli.
před 13 hhodinami

Tři klíčové grafiky o demografii Íránu ukazují mladou a rozdělenou zemi

Útok Spojených států a Izraele na Írán souvisí s dynamickými změnami, které v této zemi probíhají. Velká data ukazují, jak velkou roli tato země hraje na Blízkém východě.
před 18 hhodinami

Analýza genomu přiblížila sexuální vztahy moderních lidí a neandertálců

Nová analýza genomu dvou skupin pravěkých lidí poprvé ukázala, jak vypadaly sexuální vztahy pravěkých lidí a neandertálců. Pro Českou televizi to popsal americký genetik Alexander Platt, který nový výzkum vedl: „Objevili jsme vzorec naznačující pohlavní nerovnováhu: genový tok probíhal převážně mezi neandertálskými muži a anatomicky moderními lidskými ženami.“ Zjednodušeně – neandertálští muži souložili častěji s moderními ženami než moderní muži s neandertálkami.
před 19 hhodinami

Botox vyřadil velbloudy ze soutěže krásy. Z kulturního dědictví je byznys

Porotci soutěže krásy velbloudů v Ománu diskvalifikovali dvacet zvířat, protože majitelé jim upravili vzhled. Kolem velbloudů se točí miliony dolarů a z klání, které má být především připomínkou beduínského kulturního dědictví, se tak stal především byznys.
4. 3. 2026

Pompejské zdi odhalují dosud nerozluštitelné vzkazy

Krátká zeď u pompejského divadla sloužila jako obdoba současných sociálních sítí. Vědci teď pomocí nových technologií rekonstruují vzkazy, které tam zanechali lidé před dvěma tisíci lety.
4. 3. 2026

Velké bahnotoky a mury mohou vznikat i v Česku, varují výzkumníci

Vědci Ostravské univerzity (OU) potvrdili, že i středně vysoká pohoří v Česku mohou být při extrémním počasí vážně ohrožena sesuvy, erozí i ničivými proudy bahna a kamení. Opírají se o terénní výzkum a analýzu dat z Hrubého Jeseníku po povodních v předloňském roce. Podle vědců by bylo vhodné se systematičtěji zaměřit na preventivní opatření, která by dokázala těmto ničivým událostem předcházet.
4. 3. 2026

Testosteron jako byznys? Influenceři zneužívají mužské nejistoty

S myšlenkou, že testosteron je klíč k tomu být opravdový muž, doporučují někteří influenceři na sociálních sítích hlavně mladým mužům, aby si nechali otestovat hladinu tohoto hormonu. A případně pak kupovali přípravky, které ho mají zvýšit. Podle nové studie bývají takové výzvy nepodložené a jediným cílem je finanční prospěch. Výzkumníci i lékaři varují, že nekontrolované užívání testosteronu je spojeno s vážnými zdravotními riziky.
4. 3. 2026
Načítání...