Химики создали новую молекулярную форму, вдвое необычнее, чем лента Мёбиуса

Фото из открытых источников

Химики создали новую молекулярную форму, которая вдвое необычнее, чем закрученная лента Мёбиуса. Кольцо из 13 атомов углерода и двух атомов хлора имеет удивительную молекулярную структуру, из-за которой пришлось бы пройти по петле четыре раза, чтобы вернуться в исходное положение.

Лента Мёбиуса представляет собой петлеобразную полосу с изгибом, так что крошечному объекту, например, муравью, пришлось бы дважды обогнуть петлю, чтобы вернуться в исходную точку на той же стороне ленты.

Игорь Рончевич из Манчестерского университета в Великобритании и его коллеги обнаружили молекулу с ещё более странной формой «половины ленты Мёбиуса». Их эксперимент может стать первым шагом к новому способу конструирования полезных молекул путем настройки их трехмерной формы, или топологии.

«Эта молекула очень новая и очень неожиданная. Привлекательность заключается не только в том, что мы создали молекулу с необычной топологией, но и в том, что мы показали, что такая топология возможна, и никто об этом раньше не думал», — говорит он.

Для создания молекулы исследователи использовали 13 атомов углерода и два атома хлора, собранных в кольцеобразную форму на тонкой золотой поверхности при чрезвычайно низкой температуре. Они использовали два специализированных микроскопа — атомно-силовой микроскоп и сканирующий туннельный микроскоп — для управления атомами и картирования свойств их электронов. В молекулах этого типа электроны не связаны прочно со своими атомами; вместо этого электроны распределяются по определенным областям вокруг атомов, подобно крошечным волнам материи.

Именно взаимодействие между этими электронами привело к невиданной ранее закрученности молекулы. Если бы крошечное квантовое существо перемещалось вдоль атомов, ему потребовалось бы четыре оборота кольца, чтобы вернуться в исходную точку.

Воздействуя на молекулу небольшим электромагнитным импульсом, команда смогла изменить закрученность молекулы с левосторонней на правостороннюю или раскрутить её. Исследователи могли изменять её топологию по своему желанию, создавая ещё один способ манипулирования молекулами для химиков.

Чтобы понять новую молекулу и причины её существования, команда использовала моделирование как на обычном компьютере, так и на квантовом компьютере IBM. Взаимодействие электронов имело решающее значение для новых изгибов молекулы, и точно смоделировать его на обычных компьютерах сложно. Но квантовые компьютеры уже построены на основе взаимодействующих квантовых объектов, поэтому они могут проводить моделирование с более высокой степенью достоверности, говорит Рончевич.

Это пример того, как квантовые компьютеры уже могут быть полезны для решения реальных химических задач, говорит член команды Ивано Тавернелли из IBM.

«Этот эксперимент — замечательное достижение в ряде областей: органическая химия, наука о поверхностях, нанонаука и квантовая химия», — говорит Джемма Соломон из Копенгагенского университета в Дании.

«Это прекрасное и вдохновляющее исследование, которое наглядно переносит абстрактные топологические концепции в область молекулярной химии», — говорит Кенъитиро Итами из японского научного института RIKEN. Он говорит, что это исследование — технический шедевр.

Донхо Ким из Университета Ёнсе в Южной Корее, пионер предыдущих исследований молекул, подобных молекулам Мёбиуса, говорит, что возможность переключать молекулу из одной формы в другую особенно интересна, поскольку это может привести к применению в сенсорах. Например, молекулы могли бы переключаться запрограммированным образом при воздействии магнитных полей.