Химический твист: ученые создали молекулу с невозможной геометрией

Учёные совершили настоящий прорыв в микромире, синтезировав молекулу с необычной электронной структурой. Новая архитектура, которую назвали полулентой Мёбиуса, открывает перед нами возможности, о которых раньше можно было только мечтать. Как считают исследователи, это ещё один рычаг управления материей, который расширяет наше понимание физики и химии.

Сама по себе лента Мёбиуса — это математическая загадка: если взять полоску бумаги, перевернуть один конец на 180 градусов и склеить с другим, получится фигура с одной-единственной стороной. Для химиков такая геометрия всегда была предметом особого интереса, ведь она полностью меняет поведение электронов внутри молекулы.

Бунт электронов

Обычно электроны в молекулах сидят на своих местах, привязанные к конкретным атомам. Но в некоторых кольцевых соединениях они могут свободно путешествовать по всему кругу. Это делает молекулы стабильнее и влияет на их цвет, оптические свойства и то, как они вступают в реакции.

Видео от DGL.RU

До этого момента наука знала только два пути: либо электроны движутся по обычному кольцу, либо по кольцу Мёбиуса с поворотом на 180 градусов. В последнем случае свойства электронов в месте стыка как бы обнуляются, что меняет поведение всей системы. Однако теперь исследователи доказали: существует третий вариант — поворот ровно на 90 градусов.

Чтобы добиться этого, команда учёных создала кольцо из 13 атомов углерода. В структуру добавили два атома хлора, которые разделили электроны в кольце неравномерно: с одной стороны оказалось 13 электронов, а с другой — всего 11.

Как отмечают специалисты, электроны очень не любят оставаться без пары. Чтобы объединиться, они заставляют саму молекулу скручиваться.

В итоге кольцо самопроизвольно поворачивается на 90 градусов, выталкивая один атом хлора вверх, а другой — вниз. В этот момент две раздельные системы объединяются в одну общую, где 24 электрона свободно перемещаются по всей молекуле. Получившаяся структура обладает уникальными магнитными и электрическими свойствами, которые не встречаются больше нигде в природе.

От медицины до смартфонов

У полуленты Мёбиуса есть ещё одна любопытная особенность: она может существовать в двух зеркальных формах, как левая и правая рука. В науке это называют хиральностью, и это свойство критически важно для создания современных OLED-панелей и производства лекарств.

Самое впечатляющее, что исследователи научились переключать молекулу из одного зеркального состояния в другое простым подачей небольшого напряжения. В обычной химии добиться такого невероятно сложно.

Для подтверждения своего открытия учёным пришлось использовать мощности современных квантовых компьютеров — настолько сложными оказались расчёты этой структуры. В будущем команда планирует изучить ещё более причудливые формы, включая молекулярные косички. По словам авторов работы, они создали нечто абсолютно новое и теперь хотят понять, какие ещё секреты скрывает микромир.

Цена и доступность в России

Поскольку открытие носит фундаментальный научный характер, приобрести полуленту Мёбиуса в качестве готового продукта невозможно — это результат сложнейшего лабораторного синтеза. Результаты исследования опубликованы в международном журнале Science и доступны российским учёным через научные библиотеки и профильные порталы.

Особенности использования в России

Для отечественной высокотехнологичной индустрии это открытие имеет большое значение в перспективе разработки собственных органических светодиодов (OLED) и новых фармацевтических препаратов. Локализация подобных разработок в России возможна на базе крупных научно-исследовательских институтов и технопарков, работающих над импортозамещением в сфере микроэлектроники.

Все зря: почему мы никогда не пройдем сквозь стену, хотя наши атомы — одна пустота