Химики получили молекулу, закрученную вдвое необычнее ленты Мебиуса
Химики обнаружили новую молекулярную форму, и она вдвое необычнее, чем знакомая всем перекрученная лента Мебиуса.
Лента Мебиуса — это замкнутая петля с одним полуоборотом. Если по ней ползет муравей, чтобы вернуться в исходную точку на той же стороне ленты, ему придется обогнуть петлю дважды.
Новая молекула, описанная в Science, обладает еще более странной формой — «половины Мебиуса». Это открытие может стать первым шагом к новому способу создания полезных молекул путем настройки их трехмерной формы, или топологии.
«Эта молекула — нечто совершенно новое и неожиданное. Достижение не только в том, что нам удалось создать молекулу с необычной топологией. Мы показали, что такая топология вообще возможна, хотя раньше никто всерьез об этом не задумывался», — говорит химик Игорь Рончевич из Манчестерского университета, один из первых авторов исследования.
Как устроена необычная молекула
Чтобы создать молекулу, исследователи собрали кольцеобразную структуру из 13 атомов углерода и двух атомов хлора на тонкой золотой подложке при сверхнизкой температуре. С помощью двух специализированных микроскопов — атомно-силового и сканирующего туннельного — они управляли атомами и картировали свойства электронов. В таких молекулах электроны не жестко привязаны к своим атомам, а распределяются по определенным областям вокруг них, подобно крошечным волнам материи.
Именно взаимодействие между этими электронами и дало невиданную доселе «перекрученность». Если бы микроскопический квантовый муравей отправился в путешествие вдоль атомов, ему потребовалось бы обогнуть кольцо четыре раза, чтобы вернуться в исходную точку.
Воздействуя на молекулу коротким электромагнитным импульсом, ученые смогли переключать закрученность с левой на правую или же полностью распрямлять ее. Исследователи научились управлять ее топологией по своему желанию, что дает химикам еще один инструмент для манипуляции молекулами.
Проверка на квантовом компьютере
Чтобы понять устройство новой молекулы и причины ее существования, провели моделирование как на обычном компьютере, так и на квантовом компьютере IBM. Взаимодействие электронов, которым обусловлено необычное строение молекулы, сложно точно смоделировать на классических компьютерах. Но, как объясняет Рончевич, поскольку квантовые компьютеры сами построены из взаимодействующих квантовых объектов, для таких симуляций они прямо-таки предназначены.
По словам Ивано Тавернелли из IBM, также участвовавшего в проекте, это наглядный пример, что квантовые компьютеры уже сейчас могут быть полезны для решения реальных химических задач.
«Этот эксперимент — выдающееся достижение сразу в нескольких областях: органической химии, физике поверхности, нанонауке и квантовой химии», — оценивает профессор Джемма Соломон из Копенгагенского университета.
Это исследование — настоящий «технический шедевр», вторит ей Кенитиро Итама из японского научного института RIKEN: «Прекрасная и вдохновляющая работа, которая ярко воплощает абстрактные топологические концепции в реальность молекулярной химии».
Наибольший интерес вызывает возможность переключать молекулу из одной формы в другую, считает профессор Ким Донхо из корейского Университета Ёнсе, один из пионеров в изучении молекул Мебиуса. Это свойство может найти применение в сенсорах — например, можно создать молекулы, которые будут переключаться заданным образом под воздействием магнитных полей.
