Einsteinova teorie pomáhá chemikům odhalit složení nových sloučenin

Speciální teorii relativity, od jejíhož publikování uplyne letos 115 let, museli do svého výzkumu zapojit chemici z výzkumného institutu CEITEC a Ústavu chemie Přírodovědecké fakulty Masarykovy univerzity. Věnují se studiu atomů prostřednictvím nukleární magnetické rezonance a díky teorii Alberta Einsteina se jim podařilo popsat, jak při použití této metody ovlivňují atomy těžkých prvků jádra sousedících atomů. Koncept, který zveřejnil odborný časopis Chemical Reviews, výrazně pomůže vědcům ve fyzikálních, materiálních i biologických oborech při ověřování složení nových sloučenin.

Nukleární magnetická rezonance se využívá v přírodních vědách pro odhalování struktury a vlastností nových materiálů i biomolekul. Její princip spočívá v tom, že se v silném magnetickém poli měří rezonanční frekvence jader atomů. Každý atom má totiž specifickou frekvenci a dá se tedy určit, zda a kde se v měřené sloučenině jednotlivé atomy nacházejí a porozumět tak detailní struktuře molekul.

„S nadsázkou se dá říct, že každý atom má své specifické telefonní číslo, jehož prostřednictvím můžeme s daným atomem komunikovat. Rezonanční frekvenci jádra atomu může ale významně ovlivnit přítomnost dalšího atomu těžkého prvku v jeho sousedství. Vliv může být tak velký, že se frekvence dostane mimo obvyklý rozsah a měřený lehký prvek se tak pro vědce stane ve svém standardním frekvenčním spektru ´neviditelný´,“ přiblížil problematiku, které se s kolegy věnuje více než deset let, vedoucí výzkumného týmu Radek Marek.

Rychlé elektrony

Příčinou tohoto jevu jsou takzvané relativistické efekty. Ty jsou důsledkem toho, že u těžkých atomů, jako je olovo či uran, se elektrony vyskytující se v bezprostředním okolí atomového jádra pohybují rychlostí blízkou rychlosti světla. Tím dochází ke vzniku efektů předpovídaných speciální teorií relativity a relativistickou kvantovou mechanikou.

„Čím těžší je atom, tím větší efekty ovlivňující rezonanční frekvence sousedních jader vznikají. My jsme se snažili náš koncept zobecnit na celou periodickou soustavu prvků a ukázali jsme, že pozice vybraného těžkého atomu v tabulce má na sousední lehký atom charakteristický vliv a řídí se určitými zákonitostmi,“ uvedl Marek.

Aby mohli relativistické efekty v magnetické rezonanci popsat, museli vědci pro výpočty rezonančních frekvencí využít relativistickou kvantovou mechaniku zahrnující Diracovu rovnici vycházející z Einsteinovy speciální teorie relativity. Díky tomu se jim podařilo předpovědět, jaké změny ve frekvencích u jader lehkých atomů mohou nastat a kde je tedy třeba ve spektrech magnetické rezonance hledat, pokud chtějí ověřit jejich přítomnost ve sloučenině s těžkým atomem.

„Asi před čtyřmi lety jsme takto předpověděli pozměněnou frekvenci jader atomů vodíku ve sloučeninách olova, takzvaných hydridech, a o rok později je naměřil tým z Německa. Díky tomu si mohli také další vědci ověřit, že se jim skutečně podařilo syntetizovat hydridy olova, jejichž existenci dříve nebyli schopní prokázat,“ podotkl Marek.

Na článku, který si vysloužil místo na titulní straně velmi prestižního periodika americké chemické společnosti Chemical Reviews, spolupracoval mezinárodní výzkumný tým vedení Radkem Markem ve složení: Jan Vícha z Univerzity Tomáše Bati, Jan Novotný z institutu CEITEC MU, Stanislav Komorovský z Ústavu anorganické chemie Slovenské akademie věd, Michal Straka z Ústavu organické chemie a biochemie Akademie věd a Martin Kaupp z Technické univerzity v Berlíně. Jejich zjištění a přehledné koncepty pomůžou ostatním vědcům pochopit magnetické chování komplexních sloučenin a materiálů, které studují, a mohly by tak přispět k novým objevům v oblasti nanotechnologií, udržitelných zdrojů energie nebo k vývoji léků pro moderní terapie.