Medzinárodný tím vedcov vedený českými fyzikmi ako prvý dokázal detegovať jeho magnetický signál.
To, čo vidia vedci pod mikroskopom, pripomína tvar motýlích krídel. Zdroj: iStockphoto.com
Medzinárodnému tímu vedcov vedenému českými fyzikmi sa po prvý raz podarilo vyvinúť unikátny magnetický nanografén. Výskumníci pri tom skombinovali dva koncepty vzniku magnetizmu a ako prví dokázali detegovať ich magnetický signál pomocou pokročilej rastrovacej mikroskopie a kvantovomechanických výpočtov. Grafénové nanočastice majú potenciál pri uchovaní a spracovaní informácií v kvantovej informatike.
Skombinovali dva prístupy na vznik nanografénu
Článok publikovaný v časopise Nature Chemistry opisuje inovatívny postup návrhu, prípravy a overenia magnetických vlastností grafénu v tvare štyroch preliačených trojuholníkov, ktorý pripomína motýlie krídla. Na každom z nich je lokalizovaný jeden nepárový pí elektrón, ktorý je zodpovedný za spomínané magnetické vlastnosti.
„Doterajšie prístupy sa obmedzovali na jediný magnetický pôvod, čo limitovalo počet korelovaných spinov alebo typ magnetického usporiadania v nanografénoch. V tejto práci sa nám po prvýkrát podarilo skombinovať dva prístupy, ktoré dali vzniknúť tomuto unikátnemu magnetickému nanografénu so štyrmi nepárovými elektrónmi. Navyše sa nám podarilo vďaka kombinácii experimentálnych a teoretických výpočtov priniesť nezvratný dôkaz o jeho magnetickom charaktere,“ hovorí Adam Matěj z Fyzikálneho ústavu AV ČR a Českého inštitútu výskumu a pokročilých technológií CATRIN UP, ktorý aktuálne pôsobí na Prírodovedeckej fakulte Univerzity Palackého v Olomouci.
Schematický obrázok zobrazujúci magnetickú interakciu medzi štyrmi nepárovými elektrónmi nanografénového motýľa v jeho rohoch a funkcionalizovaného hrotu rastrovacieho mikroskopu molekulou niklocénu, ktorá umožnila preukázať magnetizmus nanografénu.
Zdroj: FZÚ/CATRIN
Recept na prípravu nanomateriálu zo Singapuru
Nanografén syntetizovali vedci v Singapure na povrchu zlata, keď zahriali vopred pripravenú organickú molekulu na 600 Kelvinov, a tým došlo k dehydrogenácii a cyklizácii väzieb v jednotlivých „motýlích krídlach“. Celá príprava nanografénu musela prebiehať v ultravysokom vákuu, pretože syntéza vysoko reaktívnych látok je v roztoku problematická.
Tradičný pohľad na magnetizmus je spojený s prechodnými kovmi, ako je napríklad železo, ktoré obsahuje silne priestorovo lokalizované nepárové elektróny. Preto sa dlhý čas predpokladalo, že materiály na báze uhlíka so silne delokalizovanými elektrónmi nemôžu mať magnetické vlastnosti.
Lenže výskum v posledných rokoch ukázal nové možnosti prípravy magnetických systémov na báze nanografénových štruktúr. Nový koncept magnetizmu sa pre prítomnosť nepárových pí elektrónov nazýva pí magnetizmus. Jednou z nenaplnených výziev novej triedy magnetizmu zostávala nielen príprava nanografénov s vyšším počtom nepárových elektrónov, ale aj priame experimentálne overenie ich magnetického charakteru.
Unikátne magnetické vlastnosti nanografénu overovali českí vedci z tímu Pavla Jelínka z Fyzikálneho ústavu AV ČR pomocou skenovacej tunelovacej mikroskopie, ktorá je schopná vďaka sonde s molekulou niklocénu zmerať lokálne magnetické pole v určitej časti molekuly.
Teória a experiment v silnej zhode
Experimentálne výsledky, ktoré určujú elektrónovú štruktúru, boli potvrdené pomocou najmodernejších kvantovo-chemických výpočtových metód v spolupráci s tímom Libora Veisa z Ústavu fyzikálnej chémie J. Heyrovského AV ČR.
„Výpočty elektrónovej štruktúry molekúl s niekoľkými otvorenými šupkami sú všeobecne veľmi náročné. Už mnoho ráz sme však mali príležitosť presvedčiť sa, že výpočtové nástroje, ktoré vyvíjame, dokážu tento problém riešiť s veľkou presnosťou. Aj v tomto prípade si vďaka obrovskej zhode medzi experimentálnymi a teoretickými výsledkami môžeme byť istí závermi našej štúdie. Výhodou teoretických výpočtov navyše je, že často poskytujú informácie, ktoré sú experimentálne nedostupné, v tomto prípade napríklad spôsob, ako sú jednotlivé elektrónové spiny vzájomne entanglované (silne prepletené),“ vysvetlil Libor Veis.
Na experimentálnom a teoretickom overení vlastností nanografénu sa podieľali vedci z Národnej singapurskej univerzity, výskumného ústavu CATRIN UP, čínskej Nankinskej univerzity a dvoch ústavov Akadémie vied ČR – Fyzikálneho ústavu a Ústavu fyzikálnej chémie J. Heyrovského.
Zdroj: Univerzita Palackého v Olomouci
(JM)
