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

Agenti OpenAI napadli kromě webu Hugging Face další čtyři platformy

Dva autonomní agenti společnosti OpenAI pohánění jejími pokročilými modely umělé inteligence (AI) napadli při testování kromě webu Hugging Face další čtyři platformy. Využili je mimo jiné ke kopírování programového kódu nebo k jeho testování, nepřekročili prý ale rámec toho, co by udělal běžný uživatel. S odkazem na sdělení OpenAI o tom informuje agentura AFP.
před 12 hhodinami

Sirotčí černá díra si pochutnala na osamělé hvězdě

Bliknutí v naprosté temnotě naznačovalo, že se stalo něco výjimečného. Detailní analýza ukázala, že šlo o jedinečné pozorování takzvané sirotčí černé díry, která pohltila hvězdu na samém okraji velmi vzdálené galaxie.
před 13 hhodinami

Španělsko čeká první úplné zatmění po více než století. Takto prožívalo ta poslední

Úplné zatmění Slunce nebylo na Pyrenejském poloostrově pozorováno od roku 1905 a na Kanárských ostrovech od roku 1959. Před více než sto lety bylo za centrum pozorování považováno město Burgos v severním Španělsku. Letos jím bude Guadalajara, která leží severovýchodně od Madridu.
před 13 hhodinami

VideoNapůl pes, napůl liška. Vědci zintenzivnili výzkum záhadné šelmy

Pes krátkouchý patří k jedné z nejhůř popsaných psovitých šelem světa. Je dokonale adaptovaný na svůj domov, hluboké pralesy v Amazonii, ale kvůli jejich ohrožení těžbou i klimatickou změnou i on stále rychleji mizí. Bolivijští biologové teď nasadili několik týmů na jeho výzkum, nejčastěji se ale setkávají s tím, že už v dané oblasti tento tvor vůbec nežije. Přesto se už podařilo vědcům zachytit přibližně šest set interakcí s ním. Doufají, že se tak o tvorovi dozví víc a získají informace potřebné pro jeho ochranu.
před 17 hhodinami

Archeologové našli v Litoměřicích hrob starý přes šest tisíc let

Archeologové objevili v Litoměřicích doklad neolitického osídlení Dómského pahorku. Na dohled od biskupské rezidence našli hrob starý přes šest tisíc let s kosterními pozůstatky patnáctiletého chlapce, zbytky domu, ale také svatební prstýnek z 12. století a další cenné předměty. O nálezech informovalo litoměřické biskupství.
před 19 hhodinami

Zpomalte vývoj AI, volají zaměstnanci předních technologických firem

Více než 1100 zaměstnanců předních technologických firem vyzvalo americkou vládu, aby podpořila mezinárodní spolupráci na vytvoření nástrojů, které by umožnily řídit tempo vývoje nejpokročilejší umělé inteligence (AI). Podle nich se vývoj zrychluje natolik, že současné bezpečnostní a regulační mechanismy nemusejí udržet krok, uvedla agentura Reuters.
před 19 hhodinami

Evropu přiklopí tepelná kupole, opět přijdou rizikové čtyřicítky

Přelom července a srpna přinese do Evropy nejen poslední třetinu léta, ale hlavně další velmi silnou vlnu veder s extrémními teplotami a celou řadou rizik. Její příčinou bude opět takzvaný omega blog, který vytlačí ze severní Afriky nad evropský kontinent teplý vzduch. Důsledkem bude už čtvrtá vlna veder této sezony, při níž se nad Středomořím i střední Evropou usadí teplotní kupole.
před 19 hhodinami

Včasné vyšetření a testování nádoru může snížit úmrtí na rakovinu plic

Počet úmrtí na rakovinu plic může podle českých lékařů snížit včasný záchyt při vyšetřování lidí bez příznaků v takzvaném screeningu a podrobnější genetické testování nádorů. Uvedli to na tiskové konferenci České pneumologické a ftizeologické společnosti České lékařské společnosti Jana Evangelisty Purkyně.
28. 7. 2026

Evropský pohled

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