Čeští vědci našli novou cestu, jak řídit magnetické a elektronické vlastnosti molekul

Vědci z Regionálního centra pokročilých technologií a materiálů (RCPTM) Univerzity Palackého v Olomouci, Fyzikálního ústavu AV ČR (FZÚ) a Ústavu organické chemie a biochemie AV ČR (ÚOCHB) v Praze našli nový způsob, jak řídit elektronické a magnetické vlastnosti molekul. Zatímco dosud se k vybuzení změny elektronického stavu molekul používaly vnější zdroje jako světlo, teplota, tlak nebo magnetické pole, čeští výzkumníci přišli s revoluční cestou, kdy využívají slabé nekovalentní interakce molekul s chemicky upraveným povrchem uhlíku. Jejich práci nedávno zveřejnil časopis Nature Communications.

„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 je velmi důležité pro vývoj budoucích molekulárních počítačů,“ uvedl Pavel Jelínek z FZÚ a RCPTM. Molekulární přepínače nabízejí uplatnění v nanoelektronice, biologii nebo medicíně.

Elektrické, optické nebo magnetické vlastnosti molekul, ale i jejich biologická aktivita, jsou určeny uspořádáním elektronů, jež se v molekulách pohybují po přesně daných dráhách, tzv. orbitalech. Molekuly, které obsahují orbitaly obsazené pouze jedním nepárovým elektronem, vykazují magnetické vlastnosti. Naopak molekuly, které mají ve všech orbitalech 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 tzv. kovalentních interakcích dochází ke sdílení elektronů, které se na vazbě podílí. Tento přístup se však nedá uplatnit při vývoji molekulárních přepínačů, neboť chemická úprava vyvolá nevratnou změnu. Čeští vědci se proto rozhodli využít slabých nekovalentních interakcí, přestože se o nich doposud jako možném zdroji pro vyvolání změny magnetického stavu molekuly neuvažovalo.

„Ukázalo se, že při použití planárních 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 povrch grafenu,“ říká světově uznávaný odborník na nekovalentní interakce Pavel Hobza z RCPTM a ÚOCHB.

Takováto elegantní cesta řízení vlastností molekul, aniž by došlo k jejich nevratné chemické úpravě, otevírá možnosti i v dalších oblastech použití. „Elektronické 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.

Autor obrázku: Martin Pykal (UPOL).

Spoluautory publikace je šest členů týmu Pavla Jelínka, který je součástí Oddělení tenkých vrstev a nanostruktur Fyzikálního ústavu AV ČR. Členové týmu se zabývají cílenou manipulací náboje a spinu v molekulárních strukturách na površích a jejich přípravou. K tomu využívají moderní zobrazovací techniky jako je mikroskopie atomárních sil, skenovací tunelová mikroskopie, elektronová difrakce a další.

Doc. Pavel Jelínek vystudoval obor Fyzikální a materiálové inženýrství na ČVUT. Ve Fyzikálním ústavu pracuje od roku 1999, působil i v zahraničních institucích ve Španělsku, USA a Japonsku. Za svou práci získal významná ocenění včetně Akademické prémie či Ceny Akademie věd ČR za dosažené vynikající výsledky velkého vědeckého významu. Mezi členy týmu jsou i další držitelé významných ocenění, například Martin Švec a Prokop Hapala, kteří získali Prémii Otto Wichterleho.