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

Španělské úřady prověřují, zda africký mor prasat neunikl z tamní laboratoře

Španělská policie od čtvrtka prověřuje laboratoř v Katalánsku. Cílem vyšetřování je objasnit, jestli za vznikem ohnisek afrického moru prasat, který v regionu zabil přinejmenším 26 divočáků, nestojí právě toto pracoviště nebo jiná z pěti laboratoří v této oblasti, které s virem pracují.
včera v 12:01

Lyžování na ledovci se stane vzpomínkou. V Alpách jich mohou zbýt tři procenta

Horské ledovce hrají mimořádně důležitou roli. Ovlivňují lokální i globální klimatické systémy, zásobují řeky vodou, formují krajinu a mají i kulturní a estetický význam pro místní komunity. V neposlední řadě je důležitý také jejich turistický potenciál. Nová vědecká studie však ukazuje, že jejich zánik se zrychluje a většina z nich zmizí už během tohoto století.
včera v 10:01

Bez pravdy, gulagů a naděje. Nový ruský slovník je nástrojem politické moci

Nový výkladový slovník státního jazyka, který letos vydalo Rusko, využívá jazyk jako politický nástroj moci. Zcela v něm například chybí pojmy jako pravda, gulag nebo stalinismus. Podle Jany Kockové ze Slovanského ústavu Akademie věd je dokument závazný pro státní orgány, úředníky i učitele a může mít konkrétní společenské i právní důsledky.
18. 12. 2025

Do Evropy se vrátila lepra, případy hlásí Rumunsko a Chorvatsko

V polovině prosince oznámil rumunský ministr zdravotnictví Alexandru Rogobete, že se v zemi dva lidé nakazili leprou. Jde o první potvrzené případy lepry v Rumunsku za více než čtyřicet let. Obě nakažené ženy pracovaly v lázních ve městě Kluž jako masérky. Další dva lidé čekají na výsledky testů. Úřady lázně, kde se nemoc objevila, uzavřely. Jeden případ zaznamenalo i Chorvatsko. Lepra není výrazně nakažlivá a valná většina lidí je proti ní imunní.
18. 12. 2025

Novým šéfem NASA se stal Jared Isaacman

Americký Senát ve středu potvrdil miliardáře a soukromého astronauta Jareda Isaacmana jako nového šéfa Národního úřadu pro letectví a vesmír (NASA), píše agentura Reuters. Isaacman se tak stal patnáctým šéfem úřadu. V republikány ovládaném Senátu pro něj hlasovalo 67 senátorů, proti jich bylo 30.
17. 12. 2025

Podvodníci okradli děti s rakovinou o desítky milionů, které na ně vybrali

Mezinárodní skupina podvodníků roky okrádala rodiny s dětmi, které trpí rakovinou. Pomocí emotivních videí na YouTube poptávala peníze, které si pak ale nechala. Zneužívání dětí a rodin odhalilo rozsáhlé dvouleté vyšetřování stanice BBC. Riziko, že člověk přispěje na podvodné sbírky, lze snížit následováním jednoduchých zásad.
17. 12. 2025

Glumův efekt poškozuje vědu a hlavně doktorandy, naznačila studie

Vědci si příliš hromadí znalosti i výzkumná témata pro sebe, tvrdí nový výzkum, který fenomén nazval Glumův efekt, podle postavy z knihy Pán prstenů J. R. R. Tolkiena. Glum si žárlivě střežil Prsten podobně, jako si dnes významná část vědců sobecky hlídá „svoje témata“. Poškozuje to zejména doktorandy, ale také celou vědu, protože tak v laboratořích a výzkumných ústavech vzniká toxická atmosféra, naznačuje studie, která ale má metodologické nedostatky.
17. 12. 2025

Británie se vrací k programu Erasmus

Británie a Evropská unie se ve středu dohodly, že britským studentům umožní opětovné zapojení do oblíbeného studentského výměnného programu Erasmus+. Jde o malý, ale symbolický signál zlepšení vztahů mezi Spojeným královstvím a EU po brexitu, napsala agentura Reuters.
17. 12. 2025
Načítání...