Kai šių metų Nobelio komitetas įvertino chemikus už metalų-organinių karkasų (MOK) atradimą, Vilniaus universiteto (VU) fizikai nenustebo. „Nobelio buvo galima tikėtis – tai didelė sritis ne tik chemijoje, bet ir fizikoje,“ – sako VU Fizikos fakulteto (FF) profesorius Mantas Šimėnas, tyrinėjantis šias struktūras jau daugiau nei dešimtmetį. Jo vykdomam EPR metodikos tobulinimui, taikomam ir MOK tyrimuose, pernai Europos mokslų taryba (ERC) skyrė 2,5 mln. eurų finansavimą.

Publikacija su būsimo Nobelio premijos laureato komanda

„MOK – tai hibridinės medžiagos, sudarytos iš metalų centrų ir organinių linkerių, sudarančių sudėtingas porėtas struktūras. Jos tapo viena įdomiausių medžiagų mokslo krypčių, atveriančių kelią efektyvesniam dujų pagavimui ir saugojimui, katalizei ar net kvantiniams prietaisams“, – sako prof. M. Šimėnas.

MOK srities pradininkai – japonų chemikas prof. Susumu Kitagawa, amerikietis prof. Omaras Yaghi ir australas prof. Richardas Robsonas – šiemet įvertinti Nobelio chemijos premija už naujo tipo porėtų struktūrų kūrimą. Vienas iš jų, prof. S. Kitagawa, yra prof. M. Šimėno mokslinių publikacijų bendraautoris.

„Apie prof. S. Kitagawą buvau girdėjęs dar anksčiau – jis plačiai žinomas MOK tyrimų srityje. Prieš dešimtmetį, kai dar buvau doktorantas, su savo disertacijos vadovu prof. Jūru Baniu vykome į konferenciją „PACIFICHEM“ Havajuose, kur sutikau vieną prof. S. Kitagawos grupės tyrėją. Po mūsų diskusijos gimė bendradarbiavimo idėja. Paaiškėjo, kad jų sukurta sistema galėtų būti įdomi mūsų magnetizmo tyrimams. Paprašiau bandinių – jie juos susintetino ir atsiuntė, o mes ištyrėme. Netrukus kartu parengėme straipsnį apie tai, kaip vadinamosios „svečios“ molekulės, patekusios į MOK poras, gali pakeisti medžiagos magnetines savybes“, – pasakoja VU fizikas.

Šis straipsnis publikuotas žurnale „The Journal of Physical Chemistry“. Pašnekovo teigimu, rengiant publikaciją ir gavus pirmuosius rezultatus, tuometiniam fizikos doktorantui buvo didelis džiaugsmas dirbti kartu su tokio masto mokslininku: „Jei tada kas būtų paklausęs, ar jis kada nors gaus Nobelį, būčiau nedvejodamas atsakęs – taip.“

Chemija sukuria, fizika paaiškina

Nors už porėtų MOK struktūrų kūrimą šiemet paskirta Nobelio chemijos premija, būtent fizikai padeda suprasti, kaip šios medžiagos veikia. VU FF mokslininkai nagrinėja ne sintezę, o savybes – kaip MOK reaguoja į aplinką, keičia struktūrą, elektrines ar magnetines savybes.

„Kai į šių medžiagų poras įleidžiame dujų molekules, galime stebėti, kaip jos prisitvirtina prie metalų centrų ir kaip dėl to kinta magnetinės savybės. Molekules išleidus, viskas grįžta į pradinę būseną. Tokie grįžtami pokyčiai leidžia kurti jautrius dujų jutiklius“, – teigia prof. M. Šimėnas.

Norėdami suprasti, kas vyksta medžiagos viduje, tyrėjai taiko du vienas kitą papildančius metodus – elektronų paramagnetinio rezonanso (EPR) ir dielektrinę spektroskopiją.

EPR spektroskopija leidžia pažvelgti į itin mažas magnetines jėgas, kurios kyla tarp atomų ar jonų, esančių medžiagos kristalinėje gardelėje. Ji atskleidžia, kaip šie centrai reaguoja į išorinius veiksnius, pavyzdžiui, temperatūros pokyčius ar dujų molekulių patekimą į poras. Kitaip tariant, tai mikroskopinis žvilgsnis į vietas, kur gimsta magnetizmas, katalizė ar selektyvus dujų sugėrimas.

Tuo tarpu dielektrinė spektroskopija leidžia pamatyti makroskopinį tiriamosios medžiagos vaizdą – kaip visa hibridinė struktūra, sudaryta iš organinių jungiklių, reaguoja į elektrinį lauką. Ji parodo, kaip šie jungikliai juda, svyruoja ar keičia padėtį, kai medžiaga sąveikauja su išorės veiksniais.

„Su EPR tiriame metalų centrus, su dielektrine – jungiklius. Galime matyti abi hibridinės struktūros dalis. Kai kurios iš tirtų MOK struktūrų pasirodė turinčios ir feroelektrinių savybių, o tai jas priartina prie funkcinių elektronikos medžiagų, kuriose elektrinis ir magnetinis pasauliai sąveikauja tarpusavyje“, – teigia VU fizikas. Taip chemikų sukurtos struktūros VU FF laboratorijose virsta fizikos eksperimentais, leidžiančiais geriau suprasti, kaip medžiagos elgiasi, ir atrasti naujas jų pritaikymo galimybes.

Iš keisto signalo – į kvantinės fizikos atradimą

Tais pačiais doktorantūros metais, kai Havajuose užsimezgė bendradarbiavimas su prof. S. Kitagawos komanda, prof. M. Šimėnas pradėjo tirti ir kitą, itin tankią, MOK struktūrą: „Jos poros buvo tokios siauros, kad jose esančios molekulės faktiškai neturėjo galimybės pasišalinti.

Be to, viename EPR spektre pasirodė itin keistas signalas, kurio negalėjome paaiškinti. Prof. J. Banys juokavo, kad sulaužiau jo fizikos supratimą.“

Signalas mokslininkui nedavė ramybės kelerius metus. Ieškodamas paaiškinimo, prof. M. Šimėnas ėmėsi platesnių konsultacijų – prie šio darbo prisijungė geriausi EPR tyrėjai iš Šveicarijos ir Vokietijos. Galiausiai paaiškėjo, kad šį efektą sukėlė metilo grupių rotacinis tuneliavimas – kvantinis reiškinys, kai cheminė grupė pereina per barjerą ir dėl to pasisuka tarsi be kliūties.

„Tai buvo pirmas kartas, kai šį tuneliavimo reiškinį pavyko tiesiogiai stebėti naudojant impulsinę EPR metodiką. Publikavome rezultatus žurnale „Science Advances“. Tai buvo reikšminga publikacija Lietuvos fizikos mokslui“, – tvirtina fizikas.

Įdomu, kad šis atradimas netikėtai susisieja su šiemetine Fizikos Nobelio premijos tema – joje įvertinti darbai, nagrinėjantys tuneliavimo reiškinius makro pasaulyje. Tuo metu VU fizikai stebėjo tą patį principą molekulių lygmeniu, atrasdami dar vieną būdą suprasti, kaip kvantinės savybės pasireiškia medžiagose.

Hibridinės medžiagos ir kvantinių technologijų ateitis

Nors metalų-organiniai karkasai tebėra svarbi mokslo kryptis, prof. M. Šimėno tyrimų grupei šiandien aktualiau naujos kartos hibridinės struktūros ir kvantinių technologijų taikymas: „Nors MOK daug tyrinėjome prieš 5–10 metų, dabar tokių tyrimų atliekame mažiau. Šiuo metu mano komanda daugiausia dėmesio skiria hibridiniams perovskitams – medžiagoms, kuriose, kaip ir MOK, taip pat yra metalų centrai, tačiau jų elektroninės savybės visiškai kitokios.“

Anot jo, šios medžiagos gali būti panaudojamos efektyvių ir pigių saulės elementų bei šviestukų gamybai.

Tyrimus šioje srityje reikšmingai sustiprina Europos mokslų tarybos (ERC) Starting Grant dotacija – 2,5 mln. eurų projektui, skirtam EPR (elektronų paramagnetinio rezonanso) spektroskopijos jautrumo didinimui. Tai suteikia prof. M. Šimėno komandai galimybę plėtoti naujus metodus ir taikyti juos hibridinių medžiagų bei kvantinių reiškinių analizėje.

„Vilniaus universitetas šiandien turi vieną moderniausių EPR laboratorijų ir glaudžius ryšius su partneriais nuo Vokietijos iki JAV, nuo Jungtinės Karalystės iki Japonijos. Stengiamės konkuruoti pasauliniu mastu – ne tik dėl įrangos, bet ir dėl idėjų,“ – apibendrina prof. M. Šimėnas.