Ученые создали сложную молекулу, структура которой представляет собой тройную ленту Мебиуса

Практически каждому человеку известно понятие ленты Мебиуса. У этого трехмерного изогнутого плоского объекта имеется лишь только одна сторона и грань, что очень тяжело поддается пониманию людьми с плохо развитым пространственным воображением. А недавно группе ученых из Кильского университета (Kiel University), возглавляемой профессором химии Рэйнером Херджесом (Rainer Herges), впервые в истории науки удалось синтезировать сложную молекулу, структура которой представляет собой сразу тройную ленту Мебиуса. И следует заметить, что ученые сделали это не ради развлечения, такие молекулы обладают набором уникальных квантово-механических свойств, которые можно использовать в областях молекулярной электроники и оптоэлектроники.

В 1958 году два немецких математика, Август Фердинанд Мебиус и Иоганн Бенедикт Листинг, независимо друг от друга открыли понятие изогнутого трехмерного объекта, обладающего только одной стороной и одной гранью, который получил впоследствии название «лента Мебиуса». Любой человек может очень просто сделать ленту Мебиуса, для этого достаточно взять полосу бумаги, повернуть один ее конец на 180 градусов и, оставив в таком положении, склеить ее концы. Топологические свойства ленты Мебиуса могут свести с ума любого человека, для этого достаточно лишь попытаться разрезать ленту ровно посередине или отступив от края одну треть ее ширины. В этих двух случаях разрезание ленты приводит к совершенно различным результатам.

В 1960-х годах топологией ленты Мебиуса заинтересовались ученые-химики. Этому предшествовали теоретические исследования, которые показали, что молекулы, имеющие такую топологию, будут нарушать один из самых главных законов химии, имеющий отношение к стабильности молекул химических соединений. Несмотря на непрекращающиеся попытки, ученым потребовалось почти 50 лет для того, чтобы синтезировать первую молекулу, имеющую форму тройной ленты Мебиуса, или как еще называют эту форму, форму узла трилистника.

Трудность синтеза таких молекул заключается в том, что если начинать крутить длинные молекулы подобно полоскам бумаги или металла, то они сопротивляются скручиванию. А при утрате контроля над любым концом молекулы, она, эта молекула, моментально раскручивается в исходное состояние. Поэтому ученым пришлось синтезировать молекулу из двух разных частей, одной из которых была обычная линейная молекула, а второй — молекула, имеющая кольцевую структуру. Процесс сложной рекомбинации этих молекул позволил ученым получить одну единственную молекулу в форме полосы с одним оборотом, напоминающую короткий участок закрученной молекулы ДНК.

Получив такие «закрученные» молекулы, обладающие высокой стабильностью, ученым пришлось разработать достаточно сложный способ объединения трех таких молекул в единственную молекулу, имеющую форму узла трилистника. После многочисленных проб и ошибок такой метод был найден, и ученые получили свою первую молекулу. «Используя точно такой же подход, мы сможем получить в будущем молекулы, имеющие большее количество «поворотов», которые будут обладать совершенно новыми удивительными свойствами» — рассказывает профессор Херджес.

У «молекул Мебиуса», синтезированных учеными, наблюдается масса необычных электронных и оптических свойств. В конечном счете, эти уникальные свойства могут быть использованы для создание на основе «молекул Мебиуса» квантовых вычислительных систем, где они могут выполнять роль квантовых битов (кубитов), хранящих квантовую информацию в виде «скрученной» или «раскрученной» формы молекулы. Кроме этого, из-за особых квантово-механических свойств таких молекул, электрические токи, текущие внутри молекул под воздействием внешних магнитных полей, движутся в направлении, обратном направлению, в котором тек бы электрический ток в молекуле, имеющей форму простого кольца.