Tomsk State University-forskaren Rashid Valiev och kollegor från universiteten i Helsingfors och Oslo har upptäckt en ny kategori av sällsynta molekyler vars egenskaper kan kontrolleras genom att ändra induktionen av ett externt magnetfält. Dessa är paramagnetiska molekyler från klassen porfyriner. Porfyriner finns i hemoglobin och klorofyll och är nära besläktade med processerna för fotosyntes och andning i levande organismer.

Resultaten av studien publicerades i tidskriften Kemisk kommunikation från Royal British Chemical Society.

Öppna paramagnetiska porfyriner med ett slutet elektronskal är mycket sällsynta molekyler, eftersom de har en specifik elektronisk struktur. Vanligtvis, molekyler med en sådan struktur är mycket instabila; öppna porfyriner, däremot är ganska stabila. Detta gör det möjligt att manipulera deras fysikalisk-kemiska egenskaper med ett externt magnetfält inom magnetoptik och nanoteknik.

Sedan 2012, en grupp forskare, som inkluderar en biträdande professor vid TSU, har studerat den aromatiska naturen hos porfyriner och deras derivat. Aromaticitet är en speciell egenskap hos vissa kemiska föreningar för att uppvisa onormalt hög stabilitet. Det är ett viktigt begrepp inom teoretisk kemi och är nära relaterat till problemet med att klassificera och ordna organiska molekyler efter deras reaktivitet. Dock, forskare definierar det med hjälp av fysik. Särskilt, de beräknar magnetiskt inducerade strömmar i molekylerna.

"För mig, det var alltid intressant för fysiker att koppla våra strömmar och begreppet aromaticitet med molekylers spektroskopiska eller fysikaliska egenskaper, " säger Rashid Valiev. "Detta gjordes 2017 för starkt antiaromatiska porfyriner. Sådana molekyler kan användas i magnetoptiska problem, där kontrollen av fysikaliska egenskaper hos molekyler används genom att ändra induktionen av ett externt magnetfält. Den grundläggande betydelsen av vårt resultat är att vi förklarade arten av paramagnetismen hos dessa molekyler."

Genom att använda teoretiska metoder inom kvantkemi, Valiev och hans kollegor från universiteten i Helsingfors och Oslo studerade de magnetiska egenskaperna hos sju molekyler av isofloriner och karbaporfyriner, både syntetiserade och hypotetiska. De visade att fyra av de sju molekylerna uppvisar paramagnetism, och deras spin är noll i det elektroniska marktillståndet, vilket är ett extremt sällsynt fall.