Umělé atomy šité na míru

Současné technologie umožňují manipulovat s atomy a ještě menšími částicemi, a vytvářet tak hmotu s vlastnostmi ušitými na míru. Zčásti se navíc nemusí postupovat metodou pokusu a omylu, ale požadované vlastnosti lze předpovědět pomocí počítačové simulace.

Umělé atomy šité na míru


Zcela nové, v přírodě se nevyskytující „prvky“, nemusejí být jen supertěžkými jádry nacházejícími se v periodické tabulce kdesi daleko za uranem. Dokonce i na samém počátku tabulky, mezi vodíkem a héliem, lze připravit látky zvláštních vlastností.

Poslední novinka z této oblasti je dílem týmu Donalda Fleminga, chemika z University of British Columbia v kanadském Vancouveru. Jeho tým připravil atom hélia, v němž byl jeden z elektronů nahrazen mionem. Mion, „těžký elektron“, je částice se záporným nábojem, jejíž hmotnost se ovšem blíží spíše protonu a neutronu než lehkému elektronu. V „atomu“, kde jeden z elektronů nahradíme mionem, proto mion obíhá velmi blízko jádra, mnohem blíže, než se pohybují slupky elektronů. Na elektrony nebude mít vliv.

Z hlediska chemických vlastností se tak prvek chová, jako by byl v tabulce o jedno místo vlevo (bez jednoho elektronu). Hélium s mionem připomíná vodík, ovšem jeho jádro z něj dělá vodík supertěžký. Běžný vodík má v jádře proton a žádný neutron, následuje deuterium s jedním a tricium se dvěma neutrony. Hélium s mionem je ještě těžší, a proto jeho chemické reakce probíhají mnohem pomaleji. Jinak se však dokáže sloučit na molekulu s atomem běžného vodíku, který „nepozná“, že jeho partnerem není opět vodík.

Ultratěžký vodík by mohl mít celou řadu specifických vlastností. Praktické využití takového objektu je zatím bohužel obtížně představitelné, protože mion sám je částicí nestabilní – primárním cílem experimentu bylo spíše potvrdit určité předpoklady kvantové teorie, týkající se kvantového tunelování a vazebných energií při slučování atomů. Totéž asi platí i pro jiný Flemingův experiment, kdy vědci vytvořili atom vodíku, kde byl naopak proton v jádře nahrazen kladně nabitým antimionem. Takový (ultralehký) „vodík“ vstupuje do chemických reakcí naopak extrémně snadno, bohužel je antimion, a tím i ultralehký vodík, opět nestabilní.

Programovatelná hmota

Výše uvedené pokusy ukazují, že hmotu lze dnes transformovat ještě na mnohem hlubší úrovni, než si kdy představovali alchymisté. Myšlenky „programovatelné hmoty“ se začaly realizovat už na počátku tohoto století. Jedním z prvních nápadů byly virtuální atomy vytvářené kvantovými tečkami (dots), což byla především myšlenka fyziků James C. Ellenbogena (Mitre Nanosystems Group) a Wila McCarthyho (mj. autora knihy Hacking Matter).

Takovou tečkou byla oblast o rozměrech nanometrů, do níž byly nahuštěny elektrony, které se pak chovaly jako ve skutečném atomu (byť zde nebylo žádné jádro). Tímto způsobem bylo možné simulovat známé prvky, ale přemýšlí se opět i o vytváření objektů, které v přírodě žádný předobraz nemají a jejich vlastnosti jsou naprogramovány na míru.

Jednotlivé kvantové tečky lze také skládat do větších útvarů, např. proužků zvaných wellstone. Zde jsou kvantové tečky součástí polovodičové struktury a jejich vlastnosti lze měnit pomocí elektrického i magnetického pole nebo světla, takže by v budoucnu mohly hrát roli pamětí, přepínačů i přenosových prvků v nových typech počítačů a další elektroniky.

Hyperhalogeny a další triky

Použít lze také přístup shora dolů, kdy vlastnosti atomů budeme simulovat složitějšími objekty – molekulami nebo obecněji clustery jiných atomů. Příkladem této cesty jsou super- a hyperhalogeny.

Halogeny mají obrovskou elektronegativitu, snaží se z jiných látek „vytrhávat“ elektrony. Výsledkem je velká chemická reaktivita, která se používá v aplikacích typu dezinfekce nebo čisticích a bělicích prostředků (hlavně látky uvolňující chlór).
Již v 60. letech se však ukázalo, že některé sloučeniny halogenů mají elektronovou afinitu ještě vyšší než samotné prvky. Fluorid platinový PtF6 dokonce dokázal přinutit k reakci i xenon – tehdy šlo o první sloučeninu vzácných plynů vůbec, až do té doby se věřilo, že jsou chemicky zcela inertní. V dalších desetiletích se podařilo připravit celou řadu ještě účinnějších superhalogenů, které obvykle měly rovněž podobu komplexu halogenů s kovy.

Puru Yena a jeho kolegové z Virginia Commonwealth University, McNeese State University v Lake Charles a z univerzity v německé Kostnici nyní dovedli popsaný postup o úroveň výš a vytvořili novou skupinu ještě elektronegativnějších sloučenin, které nazvali hyperhalogeny. Centrem molekuly je opět kov, kolem něj však nejsou samotné halogeny, ale už jejich komplexy – superhalogeny, resp. látky jejich typu. Testovaly se třeba vlastnosti molekuly, kde je v jádru atom zlata a kolem něj dvě molekuly oxidu boričitého (krajně obskurní sloučenina, těžko si představit její samostatnou existenci). Hyperhalogeny jsou ještě účinnější než super- a obyčejné halogeny, čemuž odpovídá i jejich použití, byť kvůli obrovské reaktivitě zde samozřejmě zbývá problém s jejich uchováváním a s tím, aby se předčasně nerozložily samy.

Puru Yena stál i v čele dalšího týmu z řady vědeckých institucí, v jehož rámci byly připraveny hyperhalogeny s magnetickými vlastnostmi. Jejich složení je MnxCl2x+1 další halogen. Atomy manganu nesou velký magnetický moment, což způsobuje i magnetismus výsledného clusteru. Mangan lze údajně nahradit jiným přechodným kovem a atomy chlóru jinými halogeny; výsledkem bude celá škála látek s mírně odlišnými vlastnostmi jak z hlediska magnetismu, tak i chemické reaktivity. Fyzik Puru Yena je na základě těchto výsledků pokládán za jednoho z možných budoucích nositelů Nobelovy ceny…

Zájem o magnety

Snaha připravovat nové látky s magnetickými vlastnostmi se zaměřuje i na simulaci chování samotných magnetických prvků. Profesor Shiv N. Khanna a jeho kolegové publikovali v časopisu Nature Chemistry zjištění, že superatom z osmi atomů cesia a jednoho atomu vanadu uprostřed může například simulovat svými magnetickými vlastnostmi mangan. (Tady asi každého napadne, že tento a výše zmíněný objev lze spojit a zkusit postavit ještě komplikovanější objekt – hyperhalogen s jádrem v podobě „virtuálního“ manganu.)

Tato struktura by měla být stabilní a cesium je navíc dobře elektricky vodivé; kombinace magnetických vlastností a elektrické vodivosti by i z tohoto materiálu (a jiných podobných) mohla udělat základ budoucí elektroniky. Kdyby molekuly simulující jiné prvky byly menší než jejich „vzory“, mohlo by to třeba zvýšit i hustotu aktivních komponent v integrovaných obvodech nebo docílit vyšší hustoty ukládaných dat. Molekuly složené ze dvou vanado-cesiových superatomů by podle vědců mohly najít uplatnění i v oblasti spintroniky. Spojením zlata a manganu lze zase vytvořit superatom, který by sice nebyl elektricky vodivý, ale zato by mohl mít řadu aplikací v medicíně (pomocí magnetického pole by se například přesouval na určené místo; existují pokusy používat zde zlato k „upečení“ nádoru).

Molekulární skládačka ušetří

Jinou motivací, proč nahradit prvek clusterem podobných vlastností, může být cena. Tři vědci z Penn State University např. ukázali, že oxid titanatý TiO má elektrony ve valenčním obalu uspořádány tak, že po chemické stránce překvapivě odpovídá niklu. Zajímavé je, že toto zjištění bylo výsledkem výpočtu a v laboratoři se správnost předpovědi už pouze ověřovala.

Vedoucí vědeckého týmu A. Welford Castleman uvádí, že obdobně existuje podobnost i mezi jinými dvojicemi prvek – sloučenina: např. ZiO a palladium nebo karbid wolframu a platina. Tyto sloučeniny tak opět de facto představují „superatomy“.

Podle Castelmana není zdaleka jisté, zda je jejich metoda předpovědi vlastností clusterů opravdu univerzální. Potenciálně se zde ale nabízejí zajímavé cenové úspory. Například platina se používá jako katalyzátor, je ovšem drahá. Nemohl by místo ní fungovat karbid wolframu? Taktéž ZiO je levnější než palladium… V jiných případech by zase sloučeniny nahrazující atomy mohly být třeba lehčí nebo tepelně stabilnější.





Komentáře