Vědci z Ústavu organické chemie a biochemie AV ČR, Fyzikálního ústavu AV ČR a Univerzity Palackého v Olomouci prokázali existenci piezoelektrického jevu u jednotlivých molekul. Práce publikovaná v prestižním časopise Journal of the American Chemical Society představuje průlom ve studiu elektromechanického chování molekul a otevírá novou cestu ke konstrukci molekulárních motorů, snímačů či generátorů elektrické energie v rozměrech nanosvěta.
Piezoelektrický jev odpovídá za vznik elektrického napětí v určitých materiálech v závislosti na vnějším mechanickém namáhání (tzv. přímý piezoelektrický jev), popř. způsobuje mechanickou deformaci materiálu v závislosti na vnějším elektrickém poli (tzv. nepřímý piezoelektrický jev). Tyto efekty nalezly praktické uplatnění v mnoha oblastech lidské činnosti včetně automobilového, počítačového, lékařského a vojenského průmyslu. Běžně se s piezoelektrickým jevem setkáváme při používání mobilního telefonu, mikrofonu, zapalovače, využívá se v systému airbagů, sonarech či rastrovacích mikroskopech. V současné době se rovněž intenzivně zkoumá možnost aplikace piezoelektrického jevu v nanotechnologiích. Prokázání tohoto efektu na úrovni jednotlivých molekul, což je jedním z klíčových předpokladů pro aplikaci v molekulárních zařízeních, však zůstávalo dlouhou dobu nenaplněnou výzvou.
„V úzké spolupráci s fyziky jsme poprvé prokázali existenci silného nepřímého piezoelektrického jevu u jednotlivých molekul odvozených od heptahelicenu, což je uhlíkatá sloučenina připomínající svým šroubovicovým uspořádáním pružinu,“ uvádí Ivo Starý, vedoucí týmu chemiků, který danou látku v ÚOCHB připravil.
Zmíněný efekt byl pozorován týmem z FZÚ pomocí hrotové rastrovací mikroskopie u molekul umístěných na povrchu stříbra. Jeho vedoucí, Pavel Jelínek, upřesňuje: „Velikost piezoelektrické konstanty vypočtené z experimentálních dat je výrazně vyšší než u známých piezoelektrických polymerů a je srovnatelná s hodnotou zjištěnou u některých anorganických materiálů, jako je např. oxid zinečnatý. Navíc se nám podařilo vysvětlit původ molekulárního piezoelektrického jevu pomocí kvantově mechanických výpočtů.“
Jak se projevuje nepřímý piezoelektrický jev v nanoměřítku? Studovaná šroubovicová molekula s vnitřním dipólem se sama natáhne nebo stlačí v závislosti na síle a polaritě vnějšího elektrického pole. To vzniká vložením napětí mezi stříbrnou podložku a atomárně ostrý hrot rastrovacího mikroskopu, který se nachází přímo nad vybranou molekulou. Vzhledem k tomu, že lze sledovat změnu výšky molekuly s vysokou přesností, je možné prokázat vratnou deformaci molekuly vlivem elektrického pole. Spřažení mechanického pohybu molekuly a změny elektrického pole, což dle teorie platí obousměrně, představuje most do světa molekul vykonávajících mechanickou práci na straně jedné a molekulárních nanogenerátorů elektrické energie na straně druhé.
Článek:
- O. Stetsovych, P. Mutombo, M. Švec, M. Šámal, J. Nejedlý, I. Císařová, H. Vázquez, M. Moro-Lagares, J. Berger, J. Vacek, I. G. Stará, I. Starý, P. Jelínek. Large Converse Piezoelectric Effect Measured on a Single Molecule on a Metallic Surface. J. Am. Chem. Soc. 2018, 140, 940‒946.
