Komerční prezentace
Registrace uživatele

Přihlašte se k odběru informací, novinek, získejte přístup do diskuzního fóra.

Vesmír č. 10
Vesmír č. 10
Toto číslo vychází
2. 10. 2017
Novinky
Zdarma jedno celé číslo Vesmíru v pdf.
• Říjnové číslo Vesmíru
reklama

Boranové žížaly lezou do světa

aneb Příběh boranů a modrého světla

Publikováno: Vesmír 94, 232, 2015/4
Obor: Chemie

Od vynálezu laseru uplynulo 55 let. A vědci stále pátrají po účinném, stabilním a levném laserovém světle. Malých krůčků je mnoho, zásadních objevů málo. Tým českých a španělských vědců teď vytvořil první laser na světě na bázi boranu.

Historie boranů – sloučenin boru a vodíku – je stará víc než sto let. Borany se nevyskytují v přírodě, musíme je syntetizovat v laboratoři. První borany v roce 1912 připravil německý chemik Alfred Stock.

Brzy poté se zjistilo, že nová skupina sloučenin boru s vodíkem je „nabitá“ obrovským množstvím energie. Objevily se i snahy využít tyto látky jako raketové palivo umožňující dlouhý let. Během válečných let a studené války na obou stranách běželo několik tajných projektů. Vývojem boranového raketového paliva se zabývala ostatně i Laboratoř, později Ústav anorganických syntéz v Řeži (založený roku 1961). Tam dnes sídlí i domovský Ústav anorganické chemie AV ČR Michaela Londesborougha, jemuž se nedávno podařilo přivést na svět nový laser právě na bázi boranu.

Raketové palivo?

Odborníci z Řeže tehdy hráli významnou roli i ve světovém měřítku, nicméně myšlenka využít hydridy bóru (i jiných lehkých prvků) nebyla úspěšná. „Při jejich spalování místo oxidu uhličitého (který se uvolňuje při spalování uhlovodíků) vzniká oxid boritý s konzistencí tekutého skla. Pro motory byl tudíž nepoužitelný,“ vysvětluje Michael Londesborough dávnou historii. Výzkum na tomto poli se zastavil, ale vedl k rozvoji nového odvětví – chemie boranů.

Během sedmdesátých, osmdesátých let už bylo jasné, že bor vytváří po uhlíku druhý největší počet sloučenin s vodíkem. Zásadní význam uhlovodíků pro náš svět známe již dlouho, ale tehdy se otevřel svět boranů – a v objevování vlastností a možného užití sloučenin vodíku a boru se stále pokračuje.

Michael Londensborough na syntéze nových boranových molekul začal pracovat ještě při doktorandském studiu na University of Leeds. Na univerzitě působila silná skupina chemiků, věnujících se boranové chemii. Její vedoucí, profesor John Kennedy již léta intenzivně spolupracoval s Řeží, s českými kolegy založili i Anglo-Czech Polyhedral Club (polyedr – mnohostěn symbolizuje strukturu boranových sloučenin). Jednou tváří vzájemných vazeb bylo i doktorské studium v partnerské laboratoři.

Michael přijel do Prahy poprvé v roce 2001 na dvanáct týdnů, a jak vzpomíná, jako „mladý kluk, s otevřenýma očima i hlavou. Učil jsem se od významných vědců boranovou chemii, ale také zcela jinému pohledu na chemii.“

Po návratu do Anglie dostal Michael nabídku od americké start-up firmy, aby připravoval nové sloučeniny boru pro dopování křemíku při výrobě nových typů polovodičů.

„Už tam byla jedním z mých horkých kandidátů molekula obsahující 18 atomů boru a 22 atomů vodíku. Vytváří nádhernou trojrozměrnou klecovou strukturu, připomínající rozseknutý kopací míč, přičemž obě poloviny jsou spojeny molekulárními orbitaly,“ popisuje se zápalem svého boranového oblíbence Michael. Tehdy ještě netušil, co všechno z téhle molekuly vzejde.

Od polovodičů a z Ameriky se rozhodl vrátit – zpět do Prahy, do Ústavu anorganické chemie. Ale molekule B18H22 se věnoval dál.

„V projektu polovodičů jsem řešil využití směsi dvou izomerů B18H22 (jeden má předponu „anti-“ a druhý „syn-“) pro vnesení do křemíku pomocí chromatografie. „Jednou jsem opakoval postup separace náhodou u okna. Byl krásný slunečný den. A já si najednou všiml, že sloupec vyzařuje modrou barvu. Představte si, bezbarvý, čirý roztok, ale proti slunci nádherně modře září… byl jsem z toho celý pryč.“

Tehdy už Michael pracoval znovu v Čechách a namísto dopování křemíku boranem B18H22 se začal zabývat vyzařováním této molekuly neobyčejných vlastností. Z nichž některé dlouho skrývala.

Šli prostě dál

„Je vždy zvláštní, když se něčím zabýváte, ale přitom si všimnete něčeho neobvyklého. Jako kdybyste měli velmi dobrou kamarádku a najednou v ní objevíte úplně novou stránku osobnosti. Mohl jsem si říct, mám jiné starosti než řešit tu modrou záři, ale mně to nedalo.“

Michael se podíval do literatury na původní články o syntéze molekuly, kterou jako první připravil významný americký chemik Frederick Hawthorne. „První článek o chemii B18H22 vyšel v roce 1968 a autor v něm popisoval vlastnosti molekuly, bylo toho tam spousta. A úplně na závěr dvacetistránkové práce bylo půl věty, že pozorovali modrou emisi z anti-B18H22 izomeru. Dál nic. Všechno možné jsem pročetl, ale tímhle jevem se už nikdo dál nezabýval. Byl jsem zklamaný, že jsem nebyl první, kdo modrou emisi pozoroval, ale zároveň mne vzrušovalo, že tuhle vlastnost dosud nikdo neprozkoumal.“

Michael začal měřit absorpční a emisní spektra dvou existujících izomerů anti-B18H22 a syn-B18H22, tedy jaké světlo jakých vlnových délek pohlcují, přesný popis vyzařované vlnové délky, zkoumal molekulu v základním stavu i po ozáření UV světlem a při návratu z excitovaného do původního energetického stavu, kdy vyzařuje modré světlo.

Londesborough s kolegy vypočítali, že izomer anti-B18H22 vyzáří svou energii s pravděpodobností 97 procent. Což je pro borany zcela mimořádné. A kvantový výtěžek, tedy poměr počtu světelných kvant emitovaných a absorbovaných, jim vyšel téměř sto procent. „To byl velmi zásadní výsledek, který mě poháněl dál, abych zjistil, proč jeden izomer tak účinně fluoreskuje, ale ten druhý vůbec.“ Do řešení problému již bylo nutné zapojit odborníky na kvantové výpočty, kteří vypočítali děje v molekule během absorpce, excitace i fluorescence.

Tyto lidi našel Michael ve španělském Ústavu fyzikální chemie „Rocasolano“ v Madridu.

V roce 2012 společně publikovali článek v časopise Anorganic Chemistry, který vydává Americká chemická společnost. Zde autoři popsali veškeré základní a excitované stavy této molekuly a vysvětlili, proč jeden z izomerů fluoreskuje „jak o život“ a druhý vůbec. Odpověď zní jednoduše. Když molekula pohltí UV záření, elektrony přecházejí do vyššího energetického stavu. V tuto chvíli se však každý izomer zachová jinak. „Syn-B18H22 je zpět dole během pikosekundy, anti-B18H22 zůstává excitovaný neskutečně dlouho. Chová se při snaze překonávat energetickou překážku jako míček, který padá dolů, ale cosi jej odráží zpět. A takto zůstává nahoře, nadržený na pád, 12,3 nanosekundy. To je u takovýchto procesů věčnost. Představuji si to, jako by byl unavený snahou dostat se dolů, až to v jednu chvíli vzdá a vyzáří energii jako modré světlo.“

A co laser?

O výsledcích bádání Michael Londesborough za čas přednášel v Madridu. Přišel tam za ním mladý fyzik Luis Cerdán z již zmiňovaného Ústavu fyzikální chemie, který se specializuje na lasery. Byl fascinován množstvím vyzářeného světla, protože právě vysoký kvantový výtěžek fluorescence je jeden z důležitých a nutných předpokladů pro laserový materiál. Domluvili se na další spolupráci.

Zde je důležité dodat, že ne každá fluoreskující molekula může fungovat jako laser. K tomu je potřeba, aby umožnily dosažení inverzní populace energetických hladin aktivního prostředí. V drtivé většině případů to fluoreskující látky neumějí, neboť v danou chvíli je více molekul v základním stavu než v excitovaném a pak žádoucí efekt nenastane. V případě anti-B18H22 se ukázalo, že 12 „nadržených“ nanosekund je klíčových, v jeden moment se vyskytuje „nahoře“ dostatečné množství molekul.

Pro laserový materiál je rovněž důležitá stabilita molekul, musí vydržet vysoký nápor energie. „Je spousta překážek, které brání molekulám fungovat jako laser. K našemu překvapení a pak nadšení jsme opakovaně potvrdili, že anti-B18H22 nejenže vyzařuje krásnou laserovou emisi, ale je také vysoce fotostabilní. Zažíváme tedy dvojnásobné štěstí – intelektuálně zajímavý problém a skvělé výsledky!“ Česko-španělský tým je publikoval 12. ledna 2015 v časopise Nature Communications.

Modře svítící polystyrén

Následovaly sofistikovanější experimenty na důkladnějším zařízení. Vědci zkoumali základní podmínky pro fungování materiálu jako laser a určovali dvě zásadní veličiny: účinnost a stabilitu. Porovnávání anti-B18H22 s používanými komerčně dostupnými modrými lasery dopadlo výborně. „Naše účinnost je slušná, ale zdaleka není nejlepší na trhu. Ale stabilitou je mezi nejlepšími. Molekula je mimořádně odolná proti degradaci, což znamená nižší náklady, menší rizika pro zdraví a životní prostředí.“ Když je stabilita laserového média nízká, musí se médium často měnit. To stojí peníze. A vzhledem k tomu, že jde o roztok v organických rozpouštědlech, tedy karcinogenní a hořlavý, méně odpadu znamená rovněž velké plus.

A třetí zásadní bod: laser anti-B18H22 je prvním molekulárním anorganickým laserem bez jediného atomu uhlíku, nepodobný žádnému z dosud existujících skupin laserových materiálů. „Nová rodina laserů se nerodí často,“ pochvaluje si Michael a potvrzuje, že experimenty s vyzařováním různých vlnových délek (a barev) a s různými deriváty boranů napovídají, že rodina se bude utěšeně rozrůstat. Nyní doufá, že dojde i ke komerčnímu využití.

Už nyní se ukazuje, že spektrum využití anti-B18H22 může být široké: ve spektroskopii i při zpracování materiálů, další možné aplikace se pak nabízejí v dermatologii (odstraňování tetování, jizev a akné, léčba cévních poranění ap.). Výborná rozpustnost anti-B18H22 v organických rozpouštědlech navíc umožňuje začlenění molekul boranu do polystyrenových polymerových matric, a to bez ztráty fluorescenčních vlastností. Nové nanokompozitní materiály na bázi anti-B18H22 slibují rovněž zajímavé možnosti využití jako pro optoelektroniku, spektroskopii, v detekčních zařízeních.

„V angličtině máme příměr – to open a can of worms,“ připomíná Londesborough a dodává: „My jsme tu plechovku se žížalami již otevřeli, žížaly teď lezou ven a já jsem zvědavý, kam se dostanou a co s nimi bude.“

Literatura

Luis Cerdán, Jakub Braborec, Inmaculada García-Moreno, Angel Costela, Michael G. S. Londesborough: A borane laser. Nature Communications. DOI: 10.1038/ncomms6958.

Soubory

článek ve formátu pdf: V201504_232-235.pdf (390 kB)

Diskuse

Žádné příspěvky