Výzkum publikovaný v ACS Materials Letters popisuje zcela novou třídu látek, které umožňují „řídit“ volné elektrony pohybující se mimo klasické atomové vazby. Tím se otevírají dveře k materiálům s přizpůsobitelnými vlastnostmi - podle potřeby mohou být buď vodivé, nebo fungovat jako kvantové paměťové jednotky.

Elektrony jako základ života i technologií

Elektrony nejsou jen zdrojem elektřiny. V chemii určují, jak se látky spojují a reagují, a v technologii ovlivňují, jak efektivně fungují baterie, procesory či solární panely. Většina známých materiálů má elektrony pevně svázané s atomy, což omezuje jejich pružnost.

Zvláštní skupinou jsou však takzvané elektridy - materiály, v nichž se elektrony mohou volně pohybovat. Tyto volné elektrony se chovají jako samostatné částice, což umožňuje experimentovat s jejich energií i uspořádáním.

Zdroj: Shutterstock

Jak vědci „zkrotili“ volné elektrony

Pod vedením dr. Evangelose Miliordose vyvinuli odborníci z Auburnu zcela nový typ elektridů, které nazvali Surface Immobilized Electrides. Tyto materiály vznikají připojením tzv. solvátových elektronových prekurzorů ke stabilním povrchům, například k diamantu nebo karbidu křemíku.

Tento přístup umožňuje přesně řídit, kde se elektrony budou pohybovat. Vědci dokážou jejich uspořádání měnit tak, že se buď seskupují do drobných ostrůvků s chováním kvantových bitů, nebo se rozlévají do moří volných částic vhodných pro katalytické reakce.

Od kvantových počítačů po nové druhy katalyzátorů

Možnost takto ovládat elektrony přináší obrovský potenciál. Pokud jsou elektrony uspořádány do izolovaných oblastí, mohou fungovat jako kvantové bity, tedy základní jednotky kvantových výpočtů. Ty by dokázaly řešit složité úlohy, které dnešní superpočítače zvládnou až za roky.

Jiné uspořádání zase umožňuje vznik nových katalyzátorů, které mohou výrazně urychlit chemické reakce - například při výrobě léčiv, paliv nebo plastů. Tyto materiály by mohly snížit náklady i ekologickou stopu průmyslové výroby.

Stabilita a škálovatelnost - klíč k reálnému využití

Dřívější pokusy o výrobu elektridů narážely na problém nestability. Materiály se rozpadaly nebo nebylo možné je reprodukovat ve větším měřítku. Tým z Auburnu ale našel řešení: Jejich elektridy se ukotvují na pevných površích, čímž získávají stabilitu i možnost průmyslové výroby.

„Jde o základní vědu s velmi praktickými dopady,“ vysvětluje dr. Konstantin Klyukin, jeden ze spoluautorů studie. „To, co dnes zkoumáme v laboratoři, se může brzy stát základem nových generací výpočetní techniky.“