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
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.