Химики смогли синтезировать молекулу в форме ленты Мёбиуса, каркас которой состоит только из атомов углерода.

Атомы химических элементов, как конструктор — из них можно собрать самые замысловатые и кажущиеся невозможными молекулы. Так что если какой-нибудь выпускник химфака не наигрался в детстве в кубики, он сейчас вполне может наверстать упущенное в химической лаборатории. Тем более что современные методы моделирования и химического синтеза позволяют проектировать и создавать самые замысловатые молекулярные структуры. У химического «конструктора» появился даже свой термин — молекулярный дизайн. Так что нет ничего удивительного, что «химикам-дизайнерам» из Нагойского университета, Университета Хоккайдо и ещё нескольких научных центров Японии захотелось синтезировать молекулу в форме ленты Мёбиуса. А статья в Nature Synthesis свидетельствует о том, что свои желания им удалось воплотить в реальности.

Углеродная нанолента Мёбиуса. Илл.: Yasutomo Segawa et al, Nature Synthesis, 2022.

Фигуру, называемую лентой Мёбиуса, можно описать, как кольцо из ленты, перекрученной на один оборот. Сделать такую из бумаги проще простого. Однако у этого простого на первый взгляд объекта есть несколько интересных топологических свойств. Например, у такой ленты существует всего одна сторона — если вы возьмёте кисточку и, не отрывая её от поверхности, начнёте вести линию посередине ленты, то после одного оборота кисточка окажется «на другой стороне». Другими словами у ленты Мёбиуса нет «внутренней» и «внешней» стороны, а есть только одна «общая». Ещё более интересный результат получится, если вы попытаетесь разрезать ленту Мёбиуса вдоль.

Подобные ленте Мёбиуса (и намного более сложные) объекты можно описать на языке формул и изучать их разные математические свойства, чем, собственно, математики занимаются уже не первое столетие. Но не менее заманчивая перспектива — это попытаться сделать такой объект в виде настоящей молекулы. Самый доступный элемент для конструирования плоской ленты — это углерод. Расположив атомы углерода в один плоский слой, можно получить абсолютно плоский «углеродный» лист. Если такие листы расположить в стопку друг над другом, то получится самый обычный графит. Если от графита оторвать только один лист, то мы получим графен — одну из надежд будущего электроники. Если лист графена свернуть в трубочку — то получится углеродная нанотрубка, тоже весьма интересный объект из мира с приставкой «нано». Ну а чтобы получить ленту Мёбиуса, углеродную наноленту нужно сначала перекрутить, и уже только потом «склеить».

Синтезировать молекулярные объекты в форме ленты Мёбиуса у химиков получалось и раньше, однако получить молекулярную ленту Мёбиуса только из атомов углерода удалось лишь сейчас. До этого для синтеза и придания устойчивости структуре приходилось использовать химические «скрепки» — различные атомы и группы. Но такие скрепки нарушали электронную структуру молекулы, тогда как именно у чисто углеродной, графеноподобной наноленты можно обнаружить наиболее интересные свойства. По крайне мере, именно за подобными структурами сейчас «охотятся» химики и физики, в попытках найти новые материалы для электроники. Не обязательно, что именно эта синтезированная углеродная нанолента Мёбиуса станет основой для транзисторов будущего, но разработанные методы синтеза подобных объектов точно пригодятся молекулярным дизайнерам для конструирования других, ещё более интересных и красивых углеродных молекул.