Aktuální číslo:

2017/12

Téma měsíce:

Kontakty

Aceny: molekuly pro nanoelektroniku s „českými“ kořeny

 |  13. 1. 2011
 |  Vesmír 90, 11, 2011/1
 |  Seriál: Molekula měsíce, 1. díl (PředchozíNásledující)

Struktury s řadou vedle sebe naskládaných benzenových jader (obr. 1) vypadají nejen pěkně, ale staly se také hitem (nano)technologie 21. století. Nazývají se obecně aceny.

Na pravidelný šestiúhelník se střídajícími se jednoduchými a dvojnými vazbami (popřípadě s kolečkem uprostřed) si asi většina z nás vzpomene ještě ze školních škamen. Dvě benzenová jádra vedle sebe nám dají naftalen, bílý prášek s charakteristickým zápachem, který člověka odpuzuje výrazně méně než mola šatního. Struktura se třemi benzenovými kruhy se nazývá anthracen a další už podle počtu tetracen, pentacen, hexacen, heptacen atd.

Aceny až do anthracenu jsou bezbarvé sloučeniny, které se dají izolovat z uhlí či ropy. Od tetracenu výše už musí svým umem přispět organický chemik (některé aceny byly ale nalezeny v meteoritech). Vyšší aceny jsou látky na pohled zajímavější: tetracen tvoří oranžové, pentacen modro-fialové a hexacen zelené krystalky.

Barevnost či nebarevnost acenů je dána energetickým rozdílem mezi nejvyšší hladinou obsazenou elektrony a hladinou, která již elektrony neobsahuje. V molekule pentacenu stačí k excitaci elektronu z obsazené do neobsazené hladiny foton viditelného světla, u naftalenu je třeba foton světla ultrafialového. Malý rozdíl mezi obsazenými a neobsazenými energetickými hladinami také způsobí, že se pentacen chová jako polovodič. Právě možnost použít aceny v elektronice je hlavním důvodem zájmu o tyto látky. Polovodiče „z uhlí“ totiž mohou být levnější, ohebnější a lehčí než klasické polovodiče anorganické. Na základě krystalů či tenkých filmů pentacenu již byly vytvořeny tranzistorové součástky, světlo emitující diody nebo polovodiče s využitím ve fotovoltaice. Vyšší aceny by měly pro některá použití ještě příhodnější elektrické vlastnosti, ale jsou to již látky málo stabilní. Lze je však stabilizovat připojením různých substituentů.

Velké naděje vkládané do acenových struktur byly před několika lety poněkud utlumeny Schönovým skandálem. Jan Hendrik Schön, mladý fyzik z Bellových laboratoří, publikoval kolem přelomu tisíciletí v nejprestižnějších časopisech, jako jsou Science, Nature či Physical Review Letters, převratné studie věnované nanoelektronice. Po čase se ukázalo, že řada výsledků byla vymyšlená, mimo jiné i práce týkající se supravodivosti acenů. K odhalení tohoto podvodu přispělo i to, že Schön vylepšoval řadu různých „experimentů“ vždy stejným statistickým šumem, čehož si jeden z recenzentů povšiml.

Může nás také napadnout, zdali na acenech nelpí ještě další skvrna. Aceny patří mezi polycyklické aromatické uhlovodíky (PAH, polycyclic aromatic hydrocarbons). Některélátky z této rodiny mají špatnou pověst zcelaoprávněně, jsou totiž podezřelé z karcinogenity. Tak benzo[a]pyren je vůbec první molekulou z karcinogenity usvědčenou (je jednou z  karcinogenních molekul v cigaretovém kouři). Přes strukturní podobnost s těmito látkami ale pentacen není toxický.

Pentacen byl také první molekulou, kterou jsme mohli detailně „spatřit“ na atomární úrovni (obr. 2).

Počátky výzkumu acenů jsou spojeny s naší zemí, byť už ne tolik s naším národem. První vyšší aceny (od pentacenu po heptacen) připravil rodák z Hřenska (které se tehdy jmenovalo Herrnskretschen) Erich Clar (1902–1987). Erich Clar vystudoval na univerzitě v Drážďanech. Podotkněme, že v té době ještě neexistovala ani silnice mezi Děčínem a Hřenskem, a Drážďany tak byly přirozeným spádovým městem pro tamního českého Němce. Clar v Drážďanech také působil, ale aby si nezadal s nastupujícím režimem, pracoval od roku 1933 raději ve své soukromé laboratoři v rodném Hřensku. Zároveň byl habilitován na pražské německé technice. Z jeho soukromé laboratoře vzešla řada důležitých prací o polycyklických aromatických uhlovodících.

V roce 1946 pak Clar odešel na Univerzitu v Glasgow. Tam se dále věnoval polycyklickým uhlovodíkům a studoval mimo jiné i jejich karcinogenitu. Je škoda, že jméno tohoto badatele zmizelo, tak jako mnoho jiných, z českého povědomí.

Poznámky

1) Z novější u nás vydané popularizační literatury se o hexagonech v přírodě zmiňují např. Keith Devlin v Jazyku matematiky (s. 201–210) a Fritjof Capra v Tkáni života (s. 89).

Magie šestiúhlů

Tvar pravidelného šestiúhelníku, do kterého jsou uspořádány uhlíkové atomy v acenech a jádrech aromatických sloučenin vůbec, má příroda docela v oblibě.1) Každého určitě napadne struktura včelího plástu, někoho snad i rozmanité (vždy šestiúhelníkové) sněhové vločky. Méně se ví, že šestiúhelníky, přesněji pravidelné šestiboké hranoly, se spontánně vytvoří třeba při rovnoměrném spodním záhřevu tenké vrstvy tekutiny. Od jisté kritické teploty horká tekutina stoupá středem těchto „hranolů“ (nazvaných podle svého objevitele Bénardovy buňky) a chladnější klesá podél jejich stěn. Je to experimentálně potvrzeno na kapalinách, předpokládá se, že obdobně může stoupat třeba horký vzduch od povrchu země.

Lidé se přírodou inspirovali ještě dřív, než pochopili exaktní příčiny výhod hexagonality (klasický šroub s maticí). Dnes už je dokázáno, a s tím se zde spokojme, že hexagonální uspořádání je (silově, energeticky, prostorově, materiálově) nejúspornější ze všech možných uspořádání.

Nezbývá než žasnout, s jakým důmyslem příroda využívá „svých znalostí“ geometrie v účelném utváření tohoto světa.

František Houdek

Ke stažení

OBORY A KLÍČOVÁ SLOVA: Chemie
RUBRIKA: Glosy

O autorech

Petr Slavíček

Filip Teplý

Doporučujeme

Tajemná „Boží země“ Punt

Tajemná „Boží země“ Punt uzamčeno

Břetislav Vachala  |  4. 12. 2017
Mnoho vzácného zboží starověkého Egypta pocházelo z tajemného Puntu, kam Egypťané pořádali časté obchodní výpravy. Odkud jejich expedice...
Hmyz jako dokonalý létací stroj

Hmyz jako dokonalý létací stroj

Rudolf Dvořák  |  4. 12. 2017
Hmyz patří k nejdokonalejším a nejstarším letcům naší planety. Jeho letové schopnosti se vyvíjely přes 300 milionů let a předčí dovednosti všech...
Hranice svobody

Hranice svobody uzamčeno

Stefan Segi  |  4. 12. 2017
Podle listiny základních práv a svobod, která je integrovaná i v Ústavě ČR, jsou „svoboda projevu a právo na informace zaručeny“ a „cenzura je...

Předplatným pomůžete zajistit budoucnost Vesmíru

Tištěná i elektronická
verze časopisu
Digitální archiv
od roku 1994
Speciální nabídka
pro školy a studenty

 

Objednat předplatné