zCzech Scientists открыли новый способ контроля магнитных и электронных свойств молекул

Новый способ контроля электронных и магнитных свойств молекул был обнаружен учеными из Регионального центра передовых технологий и материалов (RCPTM) в Университете Палацки, Оломоуц, совместно с коллегами из Института физики (FZU) Чешской академии наук (CAS) и Института органической химии и биохимии (IOCB) CAS. Обычно изменение электронной конфигурации молекул может быть вызвано применением внешних раздражителей, таких как свет, температура, давление и магнитное поле. Чешские ученые вместо этого разработали революционный способ использования слабых нековалентных взаимодействий молекул с поверхностью химически модифицированного графена. Это достижение было опубликовано в престижном журнале Nature Communications.

' Возможность изменения электронной структуры отдельных молекул и их магнитных свойств была интересна исследователям в течение нескольких десятилетий из-за его большого потенциала приложения. «Переход от одного магнитного состояния к другому – относительно небольшого размера молекул – важный шаг к разработке молекулярных компьютеров, – сказал Павел Елинек из RCPTM и FZU. Молекулярные переключатели также предлагают применения в наноэлектронике, биологии и медицине.

Не только электрические, оптические и магнитные свойства молекул определяются расположением электронов, движущихся вокруг на орбиталях, но и их биологической активностью. Молекулы с орбиталями, содержащими только один неспаренный электрон, обладают магнитными свойствами. Однако молекулы, содержащие два парных электрона в каждой орбитали, являются немагнитными.

' Обычная практика заключается в том, чтобы стимулировать процесс переключения, используя экологические стимулы, которые являются технологически сложными. Вместо этого мы использовали атомно-тонкий слой графита, известный как графен, и намеренно заменили некоторые атомы углерода в структуре атомами азота. Изменяя боковое положение молекул на поверхности с помощью сканирующего зонда, мы смогли обратимо переключиться с одного магнитного состояния на чистый графен на немагнитные состояния в области атомов азота. Более того, мы наблюдали изменения в расположении электронов в молекуле с помощью атомно-силовой микроскопии. Это представляет значительные возможности для разрешения сканирующей зондовой микроскопии, – сказал Павел Елинек.

Как правило, свойства молекул могут быть настроены путем ковалентной химической модификации, что приводит к изменению молекулярного строения, т. Е. Прекращению образования старых и образованию новых химических связей внутри молекулы. Эти сильные взаимодействия связаны с участием электронов, участвующих в химической связи. Однако этот подход неприменим для разработки молекулярных переключателей, поскольку химическая модификация обычно вызывает необратимые изменения. Поэтому чешские ученые пытались использовать слабые нековалентные взаимодействия, несмотря на то, что такая стратегия никогда не рассматривалась раньше.

' Было показано, что использование циклических плоских молекул на основе порфирина с атомом железа в центре приводит к перегруппировке электронов, когда молекула расположена вблизи дефекта азота в графене. Используя комбинацию теоретических расчетов и экспериментальных измерений, мы подтвердили, что нековалентное взаимодействие между атомами железа и атомами азота является достаточно сильным, чтобы нарушить магнитное состояние молекулы, но в то же время слишком слабое, чтобы обеспечить переход молекула возвращается в магнитное состояние, как только молекула возвращается на нетронутую поверхность графена, – сказал Павел Хобза, всемирно известный эксперт по нековалентным взаимодействиям RCPTM и IOCB.

Этот элегантный способ контроля свойств молекулы без изменения химической структуры необратимо предлагает шлюз для других потенциальных приложений. «Электронная структура влияет не только на магнитные, но и на оптические, каталитические, электрические и биологические свойства молекул. Такой химически модифицированный графен может открыть новые двери для разработки новых оптических датчиков, фотолюминесцентных материалов, катализаторов и фармацевтических препаратов », – сказал Радек Зборил, директор RCPTM.

Команда Радека Зборила добилась ряда выдающихся результатов в области графена и магнетизма материалов. Недавно они сообщили о первых неметаллических 2D-магнитах на основе графена и наименьших известных частиц магнитных металлов, захваченных в матрицу на основе графена.

Источник: https://www.rcptm.com/

Source link