Chemie podivných tvarů

Dva prvky periodické tabulky – uhlík a bor – tvoří rozsáhlé série sloučenin s atomy vodíku. Uhlovodíky významně ovlivňují náš každodenní život, příslušné zákonitosti byly již v rozsáhlé míře prostudovány. Hydridy boru jsou mnohem mladší, do dějin chemie vstoupily až v roce 1912. Dnes mají za sebou četné aplikace „hi-tech“, jež zasahují do řady oborů včetně moderní medicíny či molekulární elektroniky. Zatímco uhlovodíky tvoří sloučeniny se strukturou rozvětvených nebo cyklických řetězců, sloučeniny hydridů boru tvoří v důsledku nedostatku elektronů v atomu boru pestrou škálu polyedrálních shluků – klastrů (obrázek 1).

Ikosaedr v chemii hydridů boru představuje základní strukturní jednotku. V posledních letech jsme v Ústavu anorganické chemie v Řeži u Prahy dosáhli unikátních výsledků v použití podobných klastrů pro povrchové modifikace krystalů drahých kovů. K těmto účelům byly použity thiolové deriváty karboranů (obrázek 4), které mohou významně měnit vlastnosti studovaných objektů. Tyto látky vykazují velkou teplotní a radiační stabilitu, která umožňuje jejich využití v extrémních podmínkách, například ve vesmíru.

Významnou oblast potenciálních aplikací představuje molekulární elektronika, která dnes v rozsáhlé míře studuje využití dvoudimenzionálních samouspořádaných monovrstev. Tento postup v sobě skrývá velké možnosti, umožňuje cíleně budovat struktury s kýženými vlastnostmi metodou „zdola nahoru“. Základním stavebním kamenem je při tomto postupu jedna molekula nebo již zmíněné dvoudimenzionální uspořádání molekul na rovné ploše. V Ústavu anorganické chemie byla vyvinuta a rozpracována modifikace zlatých a stříbrných mikrokrystalů, která představuje jeden z kroků k přemostění makrosvěta a molekulární úrovně. Připravené krystaly umožňují vybírat pro studium typ krystalové plochy i její velikost (obrázek 2). Z modelu ikosaedrické molekuly C₂B₁₀H₁₂ substituované v protilehlých polohách thiolovými skupinami a umístěné na rovném zlatém povrchu si lze udělat představu o rozměrech karboranových klastrů ve srovnání se zlatými atomy (obrázek 3). Pro řadu aplikací souvisejících s úpravou povrchů, např. pro dopování tenkých povrchových vrstev polovodičů křemíkem, je rozhodující velikost klastru neboli počet atomů boru připadajících na jednu molekulu. Z tohoto důvodu byly v Ústavu anorganické chemie úspěšně prováděny experimenty, při kterých dochází ke kontrolovaným fúzím jednodušších klastrů v složitější. Tato oblast zahrnuje mimo přímé použití pro povrchové úpravy také zajímavé syntetické výzvy, které nás mohou posunout dopředu v základním výzkumu boranových klastrových sloučenin.

To je jeden z nových směrů, jímž se ubírá vývoj chemie klastrových hydridů boru a kde dochází k hlubšímu spojení výzkumu povrchů s chemií hydridů boru. První výsledky v této oblasti popsali vědečtí pracovníci Ústavu anorganické chemie AV ČR, v. v. i., roku 2005 v renomovaném časopise Langmuir Americké chemické společnosti. Na tyto výsledky v současné době navazuje řada domácích i mezinárodních spoluprací a projektů. Studované molekuly se podílejí na určení výsledných vlastností modifikovaných objektů, což zdůrazňuje význam povrchů a jedinečnost klastrových sloučenin boru pro nové technologie.