Ερευνητές δημιούργησαν ένα ασυνήθιστα στρεβλωμένο μόριο με μια ηλεκτρονική δομή που δεν έχει παρατηρηθεί ποτέ στο παρελθόν.
Η νέα μοριακή αρχιτεκτονική, η οποία ονομάστηκε τοπολογία «μισό Μέμπιους», «είναι ένας επιπλέον μοχλός που μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε για να κατασκευάσουμε και να χειριστούμε την ύλη» και διευρύνει τη θεμελιώδη κατανόησή μας για τη φυσική και τη χημεία, δήλωσε στο Live Science ο συν-επικεφαλής συγγραφέας Igor Rončević, λέκτορας υπολογιστικής και θεωρητικής χημείας στο Πανεπιστήμιο του Μάντσεστερ στο Ηνωμένο Βασίλειο.
Η λωρίδα Μέμπιους, η οποία δημιουργείται στρίβοντας μια κορδέλα κατά 180 μοίρες και στη συνέχεια ενώνοντας τις άκρες της, είναι ένα μαθηματικά ενδιαφέρον σχήμα που καταλήγει σε μια ενιαία συνεχή επιφάνεια. Αυτή η παράξενη, αντεστραμμένη γεωμετρία έχει επίσης ενδιαφέρουσες προεκτάσεις για τους χημικούς, ιδιαίτερα όταν εξετάζουν τις ηλεκτρονικές και χωρικές ιδιότητες των μοριακών δομών.
Ηλεκτρόνια σε ανταρσία
Συνήθως, τα ηλεκτρόνια είναι εντοπισμένα γύρω από ένα συγκεκριμένο άτομο ή δεσμό, αλλά μια υποομάδα κυκλικών ενώσεων, γνωστές ως συζευγμένοι δακτύλιοι, επιτρέπουν στα ηλεκτρόνια να κινούνται ελεύθερα σε ολόκληρο τον βρόχο, πάνω και κάτω από τα άτομα.
Αυτή η αποεντοπισμένη κατάσταση καθιστά τους συζευγμένους δακτυλίους πιο σταθερούς από το αναμενόμενο και επηρεάζει επίσης άλλες ιδιότητες, όπως το χρώμα, τις οπτικές ιδιότητες και την αντιδραστικότητα.
Ωστόσο, σε ένα μόριο Μέμπιους, τα ηλεκτρονιακά τροχιακά που συγκρατούν τα ηλεκτρόνια είναι στρεβλωμένα κατά 180 μοίρες το ένα ως προς το άλλο στο σημείο όπου ενώνονται οι άκρες. Τα ηλεκτρόνια μπορούν ακόμα να κινούνται σε ολόκληρο το μόριο, αλλά σε αυτή τη σύνδεση, ορισμένες από τις ιδιότητές τους ουσιαστικά αλληλοαναιρούνται, οδηγώντας σε εντελώς αντίθετα χαρακτηριστικά και συμπεριφορά για το συνολικό μόριο.
«Η Χημεία πίστευε ότι αυτές είναι οι μόνες δύο επιλογές», δήλωσε ο Rončević. «Αλλά η ανακάλυψή μας δείχνει ότι υπάρχει και μια άλλη επιλογή, μια τρίτη επιλογή, όπου μπορούμε επίσης να κάνουμε περιστροφή κατά μόλις 90 μοίρες».
Για να το επιτύχει αυτό, η ομάδα, με επικεφαλής τον Leo Gross, κύριο ερευνητή στην IBM της Ζυρίχης, δημιούργησε δύο συζευγμένα συστήματα μέσα σε έναν μονό δακτύλιο 13 ατόμων άνθρακα. Ο δακτύλιος περιείχε δύο άτομα χλωρίου συνδεδεμένα στις θέσεις 1 και 7, τα οποία απομόνωναν αυτά τα συζευγμένα συστήματα και διαχώριζαν ανομοιόμορφα τα ηλεκτρόνια σε κάθε πλευρά. Η μία πλευρά του δακτυλίου συγκρατούσε 13 ηλεκτρόνια, ενώ η άλλη μόνο 11.
«Το πρόβλημα είναι ότι τα ηλεκτρόνια αρέσκονται να σχηματίζουν ζεύγη», δήλωσε ο Rončević. «Επομένως, αυτό που θα κάνουν για να ζευγαρώσουν είναι να συστρέψουν το μόριο».
Ο δακτύλιος, συνεπώς, συστρέφεται αυθόρμητα κατά 90 μοίρες – σπρώχνοντας το ένα άτομο χλωρίου προς τα πάνω και το άλλο προς τα κάτω – προκειμένου να ευθυγραμμίσει αυτά τα δύο διαχωρισμένα συζευγμένα συστήματα. Αυτό επιτρέπει στη συνέχεια την ανάμειξη μεταξύ των δύο συστημάτων, δίνοντάς τους τη δυνατότητα να μοιράζονται τα ηλεκτρόνιά τους σε ολόκληρο το μόριο.
«Σε αυτό το σημείο, δεν έχουμε πλέον δύο ξεχωριστά συστήματα, έχουμε ένα σύστημα 24 ηλεκτρονίων», δήλωσε ο Rončević. Το μόριο που προκύπτει εμφανίζει, επομένως, τις δικές του χαρακτηριστικές ηλεκτρονικές και μαγνητικές ιδιότητες, οι οποίες διαφέρουν τόσο από τις τυπικές όσο και από τις δομές Μέμπιους.
Μια τελευταία ανατροπή
Η περιορισμένη γωνία συστροφής του μορίου «μισό Μέμπιους» έχει επίσης ως αποτέλεσμα δύο πιθανές εκδοχές του εαυτού του, γνωστές ως εναντιομερή.
Επειδή ο δακτύλιος μπορεί να συστραφεί είτε προς τα αριστερά είτε προς τα δεξιά, τα μόρια που προκύπτουν είναι είδωλα το ένα του άλλου – όπως ακριβώς το αριστερό και το δεξί χέρι. Αυτή η ιδιότητα, που τεχνικά ονομάζεται χειρομορφία (chirality), είναι εξαιρετικά σημαντική σε όλη τη χημεία, επηρεάζοντας τα πάντα, από τη σύνθεση φαρμακευτικών μορίων έως την παραγωγή οθονών OLED.
Το εντυπωσιακό είναι ότι, εφαρμόζοντας μια μικρή εξωτερική τάση, η ομάδα μπορούσε να μετατρέπει ελεύθερα ένα μεμονωμένο μόριο από το ένα εναντιομερές στο άλλο – κάτι που είναι εξαιρετικά δύσκολο να επιτευχθεί με τη χρήση της συμβατικής χημείας.
Η ομάδα υποστήριξε αυτά τα πειραματικά ευρήματα με λεπτομερείς υπολογισμούς. Η ασύλληπτη πολυπλοκότητα της ηλεκτρονικής δομής του «μισού Μέμπιους» κατέστησε αναγκαία τη χρήση κβαντικών υπολογιστών τελευταίας τεχνολογίας. Οι επιστήμονες δημοσίευσαν τα ευρήματά τους στις 5 Μαρτίου στο περιοδικό Science.
Κοιτάζοντας μπροστά, η ομάδα σκοπεύει να επικεντρωθεί στην εξερεύνηση της θεμελιώδους θεωρίας και των δυνατοτήτων αυτών των μοριακών αρχιτεκτονικών. «Φτιάξαμε πραγματικά ένα μόριο που έχει μια εντελώς νέα ηλεκτρονική δομή και θέλουμε να δούμε τι άλλο είναι εφικτό», δήλωσε ο Gross. «Θα μπορούσαμε να το επεκτείνουμε αυτό και να εξερευνήσουμε, για παράδειγμα, πολλαπλές συστροφές “μισού Μέμπιους” ή ακόμα και πλεγμένες δομές».
