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

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.