Лента Мёбиуса — скрученная петля с одной непрерывной поверхностью — вдохновляет химиков на создание новых молекулярных структур. Группа ученых синтезировала молекулу на основе углерода с беспрецедентным типом скручивания, которую они назвали «полулента Мёбиуса».

Чтобы сделать обычную ленту Мёбиуса, нужно повернуть один конец ленты на 180 градусов по сравнению с другим и соединить их. Этот объект назван в честь немецкого математика XVIII века Августа Фердинанда Мёбиуса, который первым описал его свойства.

Особенность молекулы «полу-Мёбиуса» в том, что цепочка атомов скручивается на 90°, образуя петлю, а не на 180°. Результаты исследования описаны в статье Science1, опубликованной 5 марта.

«Угол в 90 градусов — это весело», — говорит соавтор исследования Игорь Рончевич, химик-теоретик из Манчестерского университета в Великобритании, потому что молекула может поворачиваться как влево, так и вправо. Эти две версии отличаются тем, что химики называют хиральностью, то есть, как и левая и правая перчатки, они отличаются от своих зеркальных отражений. «Система понимает, по часовой стрелке вы вращаете молекулу или против», — говорит Рончевич.

«Это огромное достижение», — говорит Джемма Соломон, химик-теоретик из Копенгагенского университета.

«Насколько мне известно, это первая молекула такого рода», — говорит Райнер Хергес, химик из Кильского университета имени Кристиана Альбрехта в Германии, который руководил синтезом2 первой молекулы с лентой Мёбиуса в 2003 году.

Сделайте поворот

В своей последней работе команда создала петлю из 13 атомов углерода, два из которых, расположенные на противоположных сторонах круга, связаны с атомом хлора. Таким образом, 11 атомов углерода напрямую связаны с соседними атомами углерода. У каждого из них также есть два электрона, орбитали которых имеют форму гантели и направлены перпендикулярно петле.

Эти стержни образуют дополнительные связи с соседними атомами, создавая то, что химики называют «сопряженной» структурой, в которой электроны распределяются между многими атомами в цепи. (Различные типы сопряженных структур отвечают за некоторые необычные свойства ароматических молекул, таких как бензол, и двумерных материалов, таких как графен.)

В то время как поперечные сечения ленты, соединяющиеся в ленту Мёбиуса, представляют собой прямые линии, в случае с Рончевичем две орбитальные «штанги» образуют форму «+». Это означает, что перед соединением их можно повернуть на 90°, создав молекулу с формой или «топологией», обладающей новыми геометрическими свойствами.

Современная микроскопия молекул на атомном уровне, проведенная под руководством соавтора исследования Лео Гросса из исследовательского центра IBM в Цюрихе, Швейцария, показала, что молекулы имеют полускрученное состояние. В полумебиусовом состоянии молекулы скрученность позволяет атомам обмениваться электронами таким образом, что на каждой орбитали оказывается четное количество частиц. По словам авторов, это делает молекулу более стабильной, чем ее нескрученный аналог. В ходе экспериментов они показали, что молекулы могут переходить в это более высокоэнергетическое, нескрученное состояние, а затем снова возвращаться в одну из возможных лево- или правосторонних версий.

«Пока неясно, могут ли альтернативные топологии сопряженных молекул открыть новые области применения, например за счет дополнительной чувствительности к магнитным полям», — говорит Соломон.

Необычная геометрия молекулы может влиять на движение электронов внутри нее, что потенциально может привести к «необычным магнитным и спиновым эффектам», говорит Херджес. Кроме того, она может стать системой для изучения состояний, возникающих в результате коллективного поведения множества частиц — так называемых квазичастиц, — которые обычно наблюдаются в твердых телах, а не в молекулах, добавляет он.

doi: https://doi.org/10.1038/d41586-026-00682-x