Кольцо из 13 атомов углерода и двух атомов хлора имеет удивительную молекулярную структуру, из-за которой вам пришлось бы пройти по петле четыре раза, чтобы вернуться в исходное положение.
Изображение электронов в молекуле, имеющей форму «половины Мёбиуса». Научно-исследовательский центр IBM и Манчестерский университет
Химики обнаружили новую молекулярную форму, которая вдвое необычнее закрученной ленты Мёбиуса.
Лента Мёбиуса — это петлеобразная лента с изгибом, так что крошечному объекту, например, муравью, пришлось бы дважды обогнуть петлю, чтобы вернуться в исходную точку на той же стороне ленты.
Реклама
Игорь Рончевич из Манчестерского университета в Великобритании и его коллеги обнаружили молекулу с еще более странной формой, напоминающей «половину Мёбиуса». Их эксперимент может стать первым шагом к новому способу конструирования полезных молекул путем настройки их трехмерной формы, или топологии.
«Эта молекула совершенно новая и совершенно неожиданная. Привлекательность заключается не только в том, что мы создали молекулу с необычной топологией, но и в том, что мы показали возможность существования такой топологии, о которой никто раньше не задумывался», — говорит он.
Для создания этой молекулы исследователи использовали 13 атомов углерода и два атома хлора, собранных в кольцеобразную форму на тонкой поверхности золота при чрезвычайно низкой температуре. Они использовали два специализированных микроскопа — атомно-силовой микроскоп и сканирующий туннельный микроскоп — для контроля атомов 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 этих электронов привело к невиданной ранее закрученности молекулы. Если бы крошечное квантовое существо двигалось вдоль атомов, ему потребовалось бы четыре оборота кольца, чтобы вернуться в исходную точку.
Воздействуя на молекулу небольшим электромагнитным импульсом, команда смогла изменить ее закручивание с левостороннего на правостороннее или раскрутить ее. Исследователи могли изменять ее топологию по своему желанию, создав еще 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 необычных изгибов молекулы, и его сложно точно смоделировать на обычных компьютерах. 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 сейчас могут быть полезны для решения реальных задач в области химии, 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 отмечает, что исследование является техническим шедевром.
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.
DOI журнала Science : 10.1126/science.aea3321
Источник: www.newscientist.com
