Органическая химия, изучающая соединения углерода, является основой всей жизни на Земле. Однако металлы также играют ключевую роль во многих биохимических процессах. Когда дело доходит до «соединения» крупных, тяжёлых атомов металлов с лёгкими органическими соединениями, природа часто полагается на особую группу химических структур — порфирины. Эти молекулы образуют органическое кольцо, в центре которого могут быть «заякорены» отдельные ионы металлов, такие как железо, кобальт или магний.
Порфириновый каркас
Порфириновый каркас лежит в основе гемоглобина в крови человека, фотосинтетического хлорофилла в растениях и многочисленных ферментов. В зависимости от того, какой металл захвачен порфирином, полученные соединения могут проявлять широкий спектр химических и физических свойств. Химики и материаловеды давно стремятся использовать эту гибкость и функциональность порфиринов, в том числе для применения в молекулярной электронике.
Однако для того чтобы электронные компоненты, даже молекулярные, функционировали, они должны быть соединены друг с другом. Соединить отдельные молекулы — непростая задача. Но именно это удалось исследователям из лаборатории nanotech@surfaces в Empa в сотрудничестве с химиками-синтетиками из Института полимеров Общества Макса Планка.
Они успешно прикрепили порфирины к графеновой наноленте совершенно точно и чётко. Соответствующее исследование было опубликовано в журнале Nature Chemistry.
Графеновые наноленты
Графеновые наноленты — это длинные узкие полоски двумерного углеродного материала — графена. В зависимости от их ширины и формы краёв они демонстрируют широкий спектр физических свойств, включая различную проводимость, магнетизм и квантовое поведение.
Исследователи из Empa использовали ленту шириной всего в 1 нанометр с так называемыми зигзагообразными краями в качестве молекулярного провода. Вдоль этих краёв молекулы порфирина стыкуются на идеально равных интервалах, поочерёдно с левой и правой стороны ленты.
«Наша графеновая лента демонстрирует особый тип магнетизма благодаря зигзагообразным краям», — объясняет Фейфей Сян, ведущий автор исследования. Атомы металла в молекулах порфирина, напротив, являются магнитными в более «традиционном» смысле. Разница заключается в электронах, обеспечивающих спин, ответственный за магнетизм.
Пока электроны, несущие спин в центре металла, остаются локализованными на атоме металла, соответствующие электроны в графеновой ленте «распространяются» вдоль обоих краёв.
«Благодаря соединению порфиринов с графеновой основой мы смогли объединить и соединить оба типа магнетизма в единой системе», — объясняет соавтор Оливер Грёнинг, заместитель руководителя лаборатории nanotech@surfaces.
Такое соединение открывает множество возможностей в области молекулярной электроники. Графеновая лента служит одновременно электрическим и магнитным проводником — своего рода наноразмерным «кабелем» между молекулами порфирина. Коррелированный магнетизм таких графеновых нанолент считается особенно перспективным для применения в квантовых технологиях, где спин, лежащий в основе магнетизма, действует как носитель информации.
«Наша графеновая лента с порфиринами может функционировать как серия взаимосвязанных кубитов», — говорит Роман Фазель, руководитель лаборатории nanotech@surfaces.
Но это ещё не всё: порфирины также являются природными пигментами, как это видно на примере молекул хлорофилла и гемоглобина. Для материаловедов это означает, что «центры порфиринов оптически активны», — говорит Грёнинг.
И оптика — это важный способ взаимодействия с электронными и магнитными свойствами таких молекулярных цепочек. Порфирины могут излучать свет, длина волны которого изменяется в зависимости от магнитного состояния всей молекулярной системы — своего рода молекулярная струна огней, где информация может считываться по едва заметным изменениям цвета.
Возможен и обратный процесс: порфирины могут быть возбуждены светом, что влияет на проводимость и магнетизм графеновой основы. Такие молекулярные универсалы могут даже служить в качестве химических датчиков.
Молекулы порфирина можно легко функционализировать, то есть химически модифицировать путём присоединения определённых химических групп. Если одна из этих добавленных групп связывается с целевым химическим веществом, это взаимодействие также влияет на проводимость графеновой ленты.
«Наша система — это набор инструментов, который можно использовать для настройки различных свойств», — говорит Фазель. Далее исследователи планируют изучить различные металлические центры внутри порфиринов и исследовать их влияние. Они также стремятся расширить основу графеновой ленты, придав своей молекулярной системе ещё более универсальную электронную базу.