Прикосновение жизни к электронике: прецизионные молекулы для технологий будущего

Электроника

Редакция сайта «Технологические инновации» — 1 сентября 2025 г.

Графеновая нанолента соединяет молекулы порфирина, каждая из которых имеет металлический центр (красный), подобно молекулярной гирлянде рождественских гирлянд. Атомы металла удерживаются четырьмя атомами азота (синими) внутри порфиринового ядра. [Изображение: Empa]

Жизнь за пределами электроники

Группе учёных из Германии и Швейцарии впервые удалось создать архитектуру, соединяющую металлы с молекулами, необходимыми для органической химии, включая жизнь. И, что самое интересное, эти молекулы нашли применение в так называемой органической , или пластиковой, электронике.

Органическая химия, химия углеродных соединений, лежит в основе всей жизни на Земле, но металлы также играют основополагающую роль во многих биохимических процессах. Когда речь идёт о «браке» крупных тяжёлых атомов металлов с более лёгкими органическими соединениями, природа часто прибегает к определённой группе химических структур: порфиринам.

Порфирины образуют органическое кольцо, в центре которого находятся отдельные ионы металлов, таких как железо, кобальт или магний. Эти молекулы составляют основу гемоглобина в крови человека, фотосинтетического хлорофилла в растениях и многочисленных ферментов.

Для функционирования электронных компонентов, включая будущую молекулярную электронику, они должны быть соединены друг с другом. Поскольку соединение отдельных органических молекул — задача непростая, Фэйфэй Сян и её коллеги разработали метод, позволяющий использовать гибкость и функциональность порфиринов, и добились этого, соединив порфирины с графеновой нанолентой идеально точным и чётким образом.

Максимальная точность: метод позволяет синтезировать молекулярную структуру с атомарной точностью (вверху: сканирующая туннельная микроскопия; внизу: бесконтактная атомно-силовая микроскопия). [Изображение: Empa]

Двойной магнетизм и квантовые технологии

Результаты оказались даже лучше, чем ожидалось.

«Наша графеновая лента проявляет особый тип магнетизма благодаря своему зигзагообразному краю», — пояснил Сян, работающий в настоящее время в Швейцарской федеральной лаборатории материаловедения и технологий (EMPA). Атомы металла в молекулах порфирина, в свою очередь, обладают более традиционными магнитными свойствами.

Ключ к сосуществованию этих двух типов магнетизма кроется в электронах, обеспечивающих спин, ответственный за магнетизм. В то время как электроны, несущие спин в металлическом центре, остаются локализованными внутри атома металла, соответствующие электроны в графеновой ленте распределены по обоим краям. «Благодаря взаимодействию порфиринов со структурой графена нам удалось объединить и связать оба типа магнетизма в единую систему», — пояснил Оливер Гронинг из Института исследований полимеров Общества Макса Планка.

Такое сочетание магнетизмов открывает множество дверей в области молекулярной электроники, но идет гораздо дальше, поскольку графеновая лента служит электрическим и магнитным проводником, своего рода многофункциональным кабелем в наномасштабе между молекулами порфирина.

Помимо электроники, коррелированный магнетизм этих графеновых нанолент особенно перспективен для применения в спинтронике и квантовых технологиях , где спин, лежащий в основе магнетизма, служит носителем информации. «Наша графеновая лента с порфиринами может функционировать как ряд взаимосвязанных кубитов», — сказал профессор Роман Фазель, чья группа работала над созданием цепочек кубитов и даже квантовой технологии на основе углерода .

Разные металлы оказывают разное воздействие на материал. [Изображение: Feifei Xiang et al. - 10.1038/s41557-025-01887-9]

Датчики светового излучения и химические датчики

Но это еще не все: порфирины также являются природными пигментами, которые присутствуют в таких молекулах жизни, как хлорофилл и гемоглобин.

Для материаловедов это означает, что порфириновые центры оптически активны. Оптика — важный способ взаимодействия с электронными и магнитными свойствами молекулярных цепей. Например, порфирины могут излучать свет, длина волны которого меняется в зависимости от магнитного состояния всей молекулярной системы — своего рода молекулярная цепочка света, где информацию можно считывать по едва заметным изменениям цвета.

Возможен и обратный процесс: порфирины могут возбуждаться под действием света, влияя тем самым на проводимость и магнетизм структуры графена, создавая многоцелевые молекулы, которые выполняют функцию химических сенсоров.

«Наша система представляет собой набор инструментов, который можно использовать для настройки различных свойств», — сказал Фазель, объявив, что теперь его команда планирует исследовать различные металлические центры в порфиринах и изучить влияние каждого из них, а также расширить структуру графеновой ленты, придав их молекулярной системе еще более универсальную электронную основу.

Другие новости о:

Больше тем