S bezkontaktními RFID čipy se dnes běžně setkáváme v řadě výrobků, ale lze podobnou technologii realizovat na molekulární úrovni? Ano. Princip molekulárního kódování vytvořený vědci Ústavu organické chemie a biochemie AV ČR představuje novou metodu na pomezí světa chemie a moderních technologií.
Po pěti letech vývoje se podařilo vytvořit molekuly, do jejichž struktury lze zabudovat lanthanoidů (vzácných kovů). Tyto prvky mají speciální paramagnetické vlastnosti, kterými lze ladit odezvu molekuly v magnetickém poli. Tato odezva může sloužit jako nosič digitální informace a lze ji přečíst prostřednictvím nukleární magnetické rezonance v radiofrekvenčním spektru analogicky k RFID čipům. Navíc je možné tyto molekulární konstrukce dál spojovat a kombinovat, a tím vytvářet složitější, ale přesto stále čitelný signál nesoucí komplexnější digitální informaci.
„V našem článku pro Nature Communications jsme představili nejjednodušší možný systém dvou spojených molekul a do nich jsme vložili různé kombinace atomů dvou vybraných lanthanoidů, dysprosia a holmia. Ukázali jsme, že i s takovým primitivním systémem lze vytvořit čtyři jedinečné signály a z nich sestavit patnáct různých digitálních kódů,“ říká Miloslav Polášek, vedoucí skupiny Koordinační chemie v ÚOCHB. „Na první pohled to není mnoho, ale počet kódů prudce vzrůstá s počtem použitých prvků. Třeba čtyři prvky poskytnou 65 535 kódů a už s pouhými šesti bychom dokázali označit unikátními kódy např. všechny eurobankovky v oběhu. Když si uvědomíme, že těch využitelných prvků je celkem 12, dostáváme do ruky nástroj s obrovským potenciálem.“
Základem technologie jsou chelátory, molekuly, které umí vázat ionty kovů a uzavřít je do sebe jako do klece. K nim vědci připojili další část, která v magnetickém poli funguje jako vysílač, jehož frekvence se odvíjí od toho, jaké kovové ionty se v daném řetězci vyskytují, a v jakém pořadí.
Jiní vědci při vývoji molekulární informatiky zatím primárně hledali cesty inspirované biologií a využívající například DNA. Výhodou DNA je totiž schopnost pojmout obrovské množství informací v jedné molekule. Naopak velkou nevýhodou je její komplikované čtení, které vyžaduje odebrání a zásah do vzorku. Zásadní předností paramagneticky kódovaných molekul je naproti tomu možnost vzdáleného přečtení informace. Proces čtení lze libovolně opakovat a nedochází při něm k poškození nebo spotřebování molekul, uložení informace je tak trvalé.
Stávající molekulární systém využívá 4 různých lanthanoidů a je spolehlivě schopen 16bitového kódování. Optimalizovaný systém využívající i zbylé lanthanoidy však v principu umožní 64bitové kódování či vyšší, což představuje příležitosti pro využití v mnoha oblastech. Je tak v principu možné značkovat mikroskopické objekty, jako třeba buňky, nebo makroskopické objekty, jako léky či bankovky.
RFID velikosti molekuly
