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

Jak se svět blíží ke katastrofickým klimatickým jevům, rozebírá agentura AP

Agentura AP varuje v rozsáhlém textu před příliš optimistickým pohledem na katastrofální události současnosti i vykreslováním budoucnosti pozitivními scénáři.
před 9 hhodinami

V hlubinách ostravsko-karvinských dolů objevili geologové králíkit

V ostravsko-karvinských dolech objevili odborníci dosud neznámý minerál. Pojmenovali ho po českém geologovi Jiřímu Králíkovi, nese tak jméno králíkit. Minerál je natolik drobný, že ho nelze pozorovat ani běžným optickým mikroskopem, k jeho popisu proto museli využít několik specializovaných metod, uvedli zástupci olomoucké přírodovědecké fakulty, kteří se na výzkumu podíleli s odborníky z olomouckého vysokoškolského ústavu CATRIN, ostravské univerzity, ale i ze zahraničí.
před 11 hhodinami

Ruský dron řízený AI zabil tři civilisty. Brzo to bude jako ve filmu Terminátor, varují Ukrajinci

Američtí novináři popsali první případ, kdy umělá inteligence (AI) v dronu připravila o život lidi. Byli to tři ukrajinští civilisté, na které ruská zbraň vybavená pokročilým algoritmem zaútočila v Záporoží.
před 12 hhodinami

Osm miliard let na cestě. Dalekohledy zachytily záblesk vzdálené galaxie

Dalekohledy LST-1 a MAGIC na Kanárských ostrovech zachytily záření, které letělo vesmírem déle, než existuje Slunce a Země. Vyslalo ho aktivní galaktické jádro poháněné obří černou dírou, popsali čeští vědci, kteří se na objevu podíleli.
před 13 hhodinami

Záhadná nemoc zabíjí keňské slony, zvířata trpí ochrnutím

Nejméně devatenáct slonů uhynulo od června v jižní Keni na záhadné onemocnění, jehož příčinu se dosud nepodařilo zjistit. Zvířata trpí mimo jiné částečným ochrnutím a mají potíže se postavit. Keňská služba pro ochranu přírody (KWS) původně upozornila na vysoké koncentrace kyanidu v tělech uhynulých slonů a možnost otravy pesticidy, někteří odborníci ale tuto teorii zpochybňují. Informovala o tom agentura AFP.
před 14 hhodinami

Invazní sršeň asijskou zaznamenali na Mělnicku. Hnízdo se zatím nenašlo

V Liběchově na Mělnicku se v červenci a počátkem srpna opakovaně objevil jeden jedinec sršně asijské. Jde o invazní druh, který představuje významné riziko především pro včelstva a volně žijící hmyz. Pátrání po dalších jedincích nebo hnízdě bylo zatím neúspěšné. Není jasné, jestli se v okolí Liběchova vyskytuje hnízdo, anebo jde o dovezeného osamoceného jedince. Agentura ochrany přírody a krajiny (AOPK) ČR prosí veřejnost o pomoc s hlášením výskytů tohoto druhu.
24. 8. 2026

„Pluto je mrtvé,“ zaznělo před dvaceti lety v Praze. Osudnou se mu stala Xena

Pluto už není planetou dvacet let. Rozhodli o tom vědci na kongresu, který se konal v Praze a přinesl přesvědčivé argumenty pro jeho vyřazení a současně vytvoření zcela nové kategorie vesmírných těles.
24. 8. 2026

Obří gigantopithekové byli podobnější lidem, než se myslelo

Moderní věda toho zjistila v posledních letech o pravěkých předcích člověka už tolik, že to bourá konstrukce jejich řazení. Vlivný vědecký časopis navrhuje, že by se měly kategorie přestavět – a mohlo by se to týkat i záhadných obřích gigantopitheků.
24. 8. 2026

Evropský pohled

ČT24 každý den vybírá z obsahu publikovaného evropskými veřejnými médii, členy Eurovize.