Молекула човешка кръв + графен = материал за биокомпютрите на бъдещето

Органичната химия изучава въглеродните съединения и се счита за основа на целия живот на Земята, но не само въглеродът играе ключова роля: много биохимични процеси зависят и от металите. В природата често се използват специални структури (порфирини) за комбиниране на леки органични съединения с атоми на тежки метали. Тези молекули образуват органичен пръстен, в чийто център е закрепен метален йон, например желязо, кобалт или магнезий. Порфирините са в основата на основни системи като хемоглобина в човешката кръв или хлорофила в растенията. В зависимост от „уловения“ метал свойствата на съединенията се променят радикално, което отдавна привлича вниманието на химиците и материаловедите, включително в областта на молекулярната електроника.

За да работят такива молекулярни компоненти, те трябва да бъдат свързани помежду си, а това се оказа предизвикателство. Учените от лабораторията Empa заедно с химици от Института за изследване на полимерите към Дружеството „Макс Планк“ успяха да направят точно това: те прикрепиха порфирини към графенова нанолента с перфектна прецизност. Резултатите са публикувани в списание Nature Chemistry.

Графеновите наноленти представляват тесни ленти от двуизмерния материал графен, чиито свойства зависят от ширината и формата на ръбовете. В работата е използвана лента с широчина само 1 нанометър с така наречените зигзагообразни ръбове. По тези ръбове порфирините са подредени в определен ред, като се редуват от двете страни. Тази „рамка“ позволила да се комбинират два вида магнетизъм: този, създаден от металния център на порфирина, и специален магнетизъм, възникващ в самата графенова лента.

Учените отбелязват, че подобна комбинация открива широки перспективи. Графеновата лента тук играе ролята не само на проводник на електричество, но и на „магнитен кабел“ в наномащаб.

Това може да се използва в квантовите технологии, където именно спинът (източникът на магнетизма) служи като носител на информация. Изследователите предполагат, че такива вериги биха могли да работят като серия от свързани кюбити.

Оптичните свойства на системата също са интересни. Порфирините са естествени пигменти, което означава, че те са в състояние да взаимодействат със светлината. Това позволява да се използват за разчитане на информация чрез промяна на цвета на лъчението или, обратно, за контрол на проводимостта и магнетизма със светлина. Освен това химическата модификация на порфирините позволява те да бъдат адаптирани за сензори, които реагират на определени вещества.

Създаването на тези наноструктури се оказало изключително трудно. Учените от института „Макс Планк“ синтезираха специални прекурсори на молекули с порфириново ядро и прецизно подредени въглеродни пръстени. След това ги подложили на „печене“ при високи температури в свръхвисок вакуум върху повърхността на злато, което им позволило да сглобят веригата с атомна точност. Сега екипът на Empa работи за превръщането на тези наноматериали в основа на бъдещи квантови технологии.