Science: создана "суперзакрученная" молекула, не имеющая аналогов в природе

Ученые из Манчестерского университета создали необычную молекулу с уникальной топологией — ее структура напоминает "половину ленты Мебиуса". Если бы гипотетическая частица двигалась по такой молекуле, ей пришлось бы обойти кольцо четыре раза, чтобы вернуться в исходную точку. Результаты исследования опубликованы в журнале Science.

Лента Мебиуса — это математическая фигура в виде закрученной полосы с одной поверхностью. Если двигаться по ней, то, чтобы вернуться на ту же сторону, нужно обойти петлю дважды. Новая молекула оказалась еще более необычной: ее топология требует четырех оборотов.

Молекула состоит из 13 атомов углерода и двух атомов хлора, соединенных в кольцо. Ученые собрали ее на тонкой золотой поверхности при очень низкой температуре. Для манипуляций с атомами и изучения структуры исследователи использовали атомно-силовой и сканирующий туннельный микроскопы.

Необычная форма молекулы возникла из-за особенностей поведения электронов. В таких структурах электроны не принадлежат строго отдельным атомам, а распределяются по всей молекуле, образуя своеобразные "волны". Их взаимодействие и приводит к необычной закрученной форме.

Исследователи также смогли управлять конфигурацией молекулы. С помощью небольшого электромагнитного импульса они изменяли направление ее закрученности — с левого на правое — или полностью "раскручивали" структуру.

Для объяснения свойств молекулы ученые использовали компьютерное моделирование, в том числе с помощью квантового компьютера IBM. Такие системы лучше подходят для расчета взаимодействий электронов, которые сложно точно воспроизвести на обычных компьютерах.

По мнению авторов, работа демонстрирует новый способ конструирования молекул с заданной трехмерной формой. В будущем такие структуры могут использоваться, например, в молекулярных сенсорах или других нанотехнологических устройствах.