Nature子刊：一种控制分子电子构型的革命性方法

捷克帕拉茨基大学高级技术与材料区域中心（RCPTM）的科学家以及物理研究所（FZU）和（IOCB）捷克科学院有机化学和生物化学的同事们发现一种控制分子电子磁性的新方法。

通常，可以通过施加外部刺激（例如光，温度，压力和磁场）来诱导分子的电子构型发生变化。捷克科学家开创新地利用分子与化学修饰石墨烯表面的弱非共价键之间的相互作用来诱导分子电子构型发生变化。目前，这项研究成果已发表在著名的Nature Communications杂志上。

“由于分子电子结构及其磁性具有巨大的应用潜力，几十年来研究人员一直关注这一方面的研究。实现小尺寸分子从一种磁性状态切换到另一种磁性状态是开发分子计算机迈出的重要一步，“RCPTM和FZU的PavelJelínek说。 分子开关还涉及纳米电子学，生物学和医学。

分子的电学，光学和磁学性质不仅由轨道中移动的电子排列决定，而且还由它们的生物活性决定。轨道中有未成对的电子的分子具有磁性，而在每个轨道中包含两个成对电子的分子是非磁性的。

“一般是通过技术要求高的外界环境刺激来诱导分子电子构型转换。而我们采用原子级薄的石墨层（该材料被称为石墨烯），并且有意地用氮原子取代分子结构中的一些碳原子。 通过使用扫描探针改变表面上分子的横向位置，我们能够可逆地从纯石墨烯的一种磁性状态切换到氮原子区域中的非磁性状态，这代表了扫描探针显微镜分辨率的可能性。 此外，我们还通过原子力显微镜观察到分子中电子排列的变化。”Jelínek说。

通常，分子的性质可以通过调节分子化学键来实现。这些强相互作用涉及共享参与化学键的电子，从而诱导分子构成的改变，即分子老化的终止和分子内新化学键的形成。 然而，这种方法不适用于开发分子开关，因为化学修饰通常会引起不可逆的改变。 因此，捷克科学家试图采用弱的非共价相互作用，在此之前从未有人考虑过这种方法。

“研究表明，当分子位于石墨烯中的氮缺陷附近时，使用基于卟啉的环状平面分子和中心的铁原子导致电子的重排。理论计算和实验测量相结合，我们证实了铁原子和氮原子之间的非共价相互作用足以干扰分子的磁性状态，但由于非共价作用太弱分子无法转变成非磁性状态， 一旦分子返回到原始的石墨烯表面，分子就会回到磁性状态，”世界著名的RCPTM和IOCB非共价相互作用专家Pavel Hobza说。

这种控制分子特性且可以可逆地改变化学结构的一流方式为其他潜在应用提供了通道。RCPTM的主任Radek Zbořil说：“电子结构不仅影响磁性，还影响分子的光学，催化，电学和生物学特性。 这种化学改性的石墨烯可能会为开发新型光学传感器，光致发光材料，催化剂和药物开辟了新的大门。”

Zbořil的团队在石墨烯和材料磁性领域取得了一系列杰出的成果。 最近，他们还报道了首批基于石墨烯的非金属二维磁体，以及夹带在基于石墨烯基质中的最小的已知磁性金属颗粒。

原文来自：rdmag，原文标题：A Revolutionary Way to Control Molecules，由材料科技在线团队翻译整理。