Vizualizace jevu podle AI
vytvořeno v Dall-e
Molekula s polovičním Möbiovým pásem otevírá cestu k novým magnetickým efektům
Chemici syntetizovali uhlíkovou molekulu s dosud nevídaným tvarem – smyčku připomínající „poloviční Möbiův pás“.
msk
Neobvyklá geometrie molekuly, popsaná ve studii zveřejněné 5. března v časopise Science, by podle vědců mohla otevřít cestu k novým fyzikálním vlastnostem a potenciálně i k novým aplikacím v oblasti materiálové chemie.
Inspirací byl klasický Möbiův pás – matematický objekt tvořený pruhem, jehož konce jsou spojeny po otočení o 180 stupňů. Výsledkem je smyčka s jedinou souvislou plochou, kterou popsal v 18. století německý matematik August Ferdinand Möbius. Tento koncept už dříve inspiroval chemiky k tvorbě molekul s podobnou topologií.
Nová molekula však pracuje s jiným typem zkroucení. Řetězec atomů je otočen pouze o 90 stupňů, čímž vzniká takzvaná „poloviční Möbiova“ struktura. „Devadesát stupňů je zábavných,“ říká spoluautor studie Igor Rončevic, teoretický chemik z University of Manchester. Takové otočení totiž může proběhnout dvěma směry – doleva nebo doprava. Vznikají tak dvě varianty molekuly, které se liší vlastností známou jako chiralita. „Systém pozná, zda se otáčíte po směru, nebo proti směru hodinových ručiček,“ dodává Rončevic.
Smyčka z třinácti atomů uhlíku
Výzkumný tým vytvořil uzavřený kruh z 13 atomů uhlíku. Dva z nich, umístěné na protilehlých stranách smyčky, jsou navázány na atomy chloru. Zbývajících jedenáct uhlíků je přímo propojeno se svými sousedy a každý z nich nese dva elektrony v orbitalech připomínajících činku, které vystupují kolmo z roviny molekuly.
Tyto orbitaly vytvářejí dodatečné vazby mezi sousedními atomy a vzniká tak konjugovaná struktura, v níž jsou elektrony sdíleny mezi větším počtem atomů. Podobné uspořádání stojí za neobvyklými vlastnostmi aromatických molekul, například benzenu, nebo dvourozměrných materiálů typu grafenu.
V případě nové molekuly mají orbitály křížový tvar připomínající znak plus. Díky tomu je možné jejich orientaci před spojením otočit o 90 stupňů, což vede k nové topologii molekuly s odlišnými geometrickými vlastnostmi.
Neobvyklá geometrie elektronů
Existenci tohoto polovičního zkroucení potvrdila mikroskopie na atomární úrovni vedená spoluautorem studie Leem Grossem z IBM Research Europe v Curychu. Analýza ukázala, že takové uspořádání umožňuje elektronům sdílet se mezi atomy způsobem, který zaplní každý orbital sudým počtem částic. Molekula je tak podle autorů stabilnější než její nezakroucený protějšek.
Experimenty zároveň ukázaly, že molekula se může krátkodobě přepnout do energeticky vyššího, nezakrouceného stavu, než se opět vrátí do jedné ze dvou možných – pravotočivých nebo levotočivých – verzí.
„Je to obrovský výkon,“ říká teoretická chemička Gemma Solomon z Kodaňské univerzity. Podle Rainera Hergese z Christian-Albrechts-Universität v Kielu, který v roce 2003 vedl syntézu první Möbiovy molekuly, jde o zcela nový typ struktury. „Pokud vím, je to první molekula tohoto druhu,“ říká.
Zda podobné topologie konjugovaných molekul povedou k praktickým aplikacím, zatím není jasné. Mohly by ale například vykazovat zvýšenou citlivost na magnetická pole. Neobvyklá geometrie by navíc podle Hergese mohla ovlivňovat pohyb elektronů a vést k „nezvyklým magnetickým a spinově závislým efektům“. Molekula by také mohla posloužit jako modelový systém pro studium kvazičástic, které se běžně pozorují spíše v pevných látkách než v jednotlivých molekulách.
