Elektronika z helicenů

Uhlíkatá molekulární pružina Loňskou "vědeckou" cenu Česká hlava v kategorii studentských počinů obdržel Filip T...


Uhlíkatá molekulární pružina
Loňskou "vědeckou" cenu Česká hlava v kategorii studentských počinů obdržel
Filip Teplý, v současnosti doktorand Přírodovědecké fakulty UK Praha. Jeho
oceněná práce byla věnována problematice helicenů, tedy sloučenin, které by se
v budoucnu mohly uplatnit i v oblasti molekulární elektroniky a
nanotechnologií. Při této příležitosti jsme Filipa Teplého požádali o kratší
rozhovor.

Co jsou to vlastně heliceny?
Ve škole každý z nás patrně slyšel o molekule benzenu, která má šest uhlíkových
atomů uspořádaných do tvaru pravidelného šestiúhelníku (viz obrázek). Pokud
myšlenkově spojíme dvě molekuly benzenu tak, že budou mít jednu společnou
stranu, získáme představu o tom, jak vypadá další člen z benzenové rodiny
naftalen. Připojením benzenové stavební cihly k naftalenu se lze dostat k
molekule, která se jmenuje fenantren. Benzen, naftalen i fenantren jsou rovinné
útvary. Budeme-li přidávat další benzenové kruhy stejným způsobem, získáme
nerovinné molekuly připomínající svým tvarem šroub nebo točité schodiště. Tyto
látky se nazývají heliceny. Typickými představiteli jsou pentahelicen a
hexahelicen. Nejdelší dosud připravený helicen má čtrnáct benzenových kruhů. Je
to taková molekulární pružina se dvěma závity.

Dalším druhem sloučenin, o kterých se dnes v souvislosti s molekulární
elektronikou často mluví, jsou fullereny. Lze nějak srovnat vlastnosti helicenů
a fullerenů?
Podobně jako fullereny jsou heliceny velice stabilní látky. Právě jejich
odolnost dovoluje praktické využití. Dalším společným znakem těchto dvou skupin
je tzv. konjugace p-elektronů v rámci celé molekuly. Tento jev umožňuje
elektronovou komunikaci jednoho konce molekuly s druhým. Proto se o nich
uvažuje jako o molekulových vodičích nebo polovodičích.
Na rozdíl od fullerenů nebo uhlíkatých nanotrubiček jsou heliceny lákavé tím,
že se dají připravit chemickou syntézou. To má tu výhodu, že na konci takové
několikakrokové přípravy víme s jistotou, jakou strukturu náš helicen má. Žádný
takový obecný způsob, jak získat přesně definované uhlíkaté nanotrubičky, však
naproti tomu zatím neexistuje.

Jaké konkrétní komponenty pro molekulární elektroniku se již podařilo z
helicenů připravit? V současnosti jsme zvládli syntézu menších helicenů a jsme
ve fázi, kdy se zabýváme přípravou stavebních bloků, které budou vhodné pro
spojování helicenů do delších útvarů. Pokud uspějeme a budeme mít v ruce první
prototypy helicenových vodičů, přijde na řadu měření vodivosti těchto molekul.
Další metou je příprava diody a tranzistoru. Jelikož jsou heliceny zajímavé i z
hlediska možného optoelektronického využití, budeme se zabývat i jejich
optickými vlastnostmi.

V čem konkrétně spočívá vaše oceněná práce? Jak se vám podařilo zjednodušit
syntézu helicenů?
Klasická syntéza helicenů vyvinutá profesorem R. H. Martinem v 60. letech v
Belgii byla donedávna všeobecně považována za nejuniverzálnější způsob, jak
tyto látky v laboratoři připravit. Metoda je to velmi elegantní co do koncepce,
současně však trpí vážnými nedostatky. Je totiž z praktického hlediska nesmírně
pracná, pokud byste ji chtěli použít pro získání většího množství helicenu
(větším se zde myslí množství nad jeden gram). Obtížná dostupnost helicenů byla
právě až doposud důvodem jejich minimálního využití.
V týmu Iva Starého jsme si položili otázku, jestli není možné najít snadnější
přístup k helicenům. Požadavkem bylo, aby se dala jedna strategie použít k
přípravě celé palety helicenů. Takovou obecnou metodu se nám podařilo vyvinout.
Celý postup je možné popsat jako skládání vysoce sofistikované stavebnice. Je
zapotřebí mít vhodné "stavební kameny" a z nich sestavit látky, které se
helicenům ještě nepodobají, ale mají už stejný počet uhlíkových atomů. Účinkem
kovového katalyzátoru pak dojde k přeskupení chemických vazeb a vzniku
helicenů. Máme nyní v ruce metodiku, pomocí které dokážeme efektivně připravit
heliceny na míru příslušným aplikacím.

V jaké podobě by se heliceny měly uplatnit v molekulární elektronice či
nanotechnologiích? Pokud heliceny srovnáváte s pružinami, znamená to, že
skutečně budou hrát tuto roli v rámci nanomechanismů?
Předběžné výpočty ukázaly, že heliceny se mohou chovat jako vodiče nebo
polovodiče. To závisí na přesné struktuře studované molekuly. Nová metoda
přípravy helicenů umožňuje jemné ladění struktury navrhovaných látek. Takto je
v principu možné přiblížit se skutečně funkčním prototypům helicenových
molekulárních součástek, které musejí splňovat řadu náročných požadavků.
Heliceny připomínající pružiny jsou pro konstrukci molekulárních zařízení velmi
přitažlivé. Přímo vyzývají k návrhu materiálů, jejichž fyzikální vlastnosti by
byly závislé na stupni natažení. Technicky zajímavá by byla konkrétně změna
optických vlastností takových pružných materiálů, nebo by mohlo jít o modulaci
vodivosti.

Nakolik jsou nanotechnologie podle vašeho názoru prozatím vizí a nakolik se již
stávají realitou?
Ačkoliv bylo již učiněno několik desítek fundamentálních experimentů, je zde
stále velká propast mezi současným stavem vědomostí a těmi nejodvážnějšími
plány. Na druhou stranu nanotechnologický výzkum bezpochyby akceleruje.
Vzrůstající investice do této vědní disciplíny ve třech hlavních střediscích
Spojených státech, Evropě a Japonsku jsou toho dokladem.(pah)

Chemická struktura helicenů je odvozena od benzenu. Nejedná se o rovinné
molekuly, v prostoru se tyto látky formují do struktur připomínajících točité
schodiště. Z toho se odvozuje jejich možné využití např. ve formě molekulárních
pružin.

Filip Teplý, doktorand Přírodovědecké fakulty UK Praha. Za práci "Komponenty
pro molekulární elektroniku odvozené od helicenů" obdržel v soutěži Česká hlava
ocenění Prix Academia, které bylo udělováno za nejvýznamnější studentský počin
uplynulého roku.









Komentáře
K tomuto článku není připojena žádná diskuze, nebo byla zakázána.