يمتلك جزيء موبيوس الشبيه بالشريط شكلًا جديدًا وغريبًا تمامًا

اكتشف الكيميائيون شكلًا جزيئيًا جديدًا، وهو أكثر غرابة من شريط موبيوس الملتوي.

شريط موبيوس عبارة عن شريط ملتوي ملتوي، بحيث يجب على شيء صغير، مثل النملة، أن يدور حول الحلقة مرتين للعودة إلى حيث بدأ على نفس الجانب من الشريط.

اكتشف إيجور رونشيفيتش – من جامعة مانشستر بالمملكة المتحدة – وزملاؤه الآن جزيئًا له شكل “نصف موبيوس” أكثر غرابة. قد تكون تجربتهم هي الخطوة الأولى نحو طريقة جديدة لهندسة الجزيئات المفيدة عن طريق ضبط أشكالها ثلاثية الأبعاد، أو طوبولوجياها.

ويقول: “هذا الجزيء جديد جدًا وغير متوقع على الإطلاق. ولا يقتصر الأمر على أننا صنعنا جزيءًا ذو طوبولوجيا غير عادية فحسب، بل أظهرنا أيضًا أن هذه الهيكلية ممكنة، ولم يفكر أحد في ذلك حقًا”.

ولصنع الجزيء، استخدم الباحثون 13 ذرة كربون وذرتين من الكلور مجمعة في شكل يشبه الحلقة على سطح رقيق من الذهب عند درجة حرارة شديدة البرودة. واستخدموا مجهرين متخصصين – مجهر القوة الذرية ومجهر المسح النفقي – للتحكم في الذرات ورسم خريطة لخصائص إلكتروناتها. في هذا النوع من الجزيئات، لا ترتبط الإلكترونات بإحكام بذراتها؛ وبدلاً من ذلك، تنتشر الإلكترونات عبر مناطق محددة حول الذرات مثل موجات صغيرة من المادة.

لقد كانت التفاعلات بين هذه الإلكترونات هي التي أنتجت الالتواء الذي لم يسبق له مثيل في الجزيء. إذا سافر مخلوق كمي صغير عبر الذرات، فسيستغرق الأمر أربع دورات من الحلقة للعودة إلى نقطة البداية.

ومن خلال حث الجزيء بنبضة كهرومغناطيسية صغيرة، تمكن الفريق من تبديل التفاف الجزيء من اليد اليسرى إلى اليد اليمنى، أو فك التواءه. يمكن للباحثين هندسة طوبولوجيته حسب الطلب، مما يخلق طريقة أخرى للكيميائيين للتعامل مع الجزيئات.

لفهم الجزيء الجديد وسبب وجوده، استخدم الفريق عمليات المحاكاة على كل من الكمبيوتر التقليدي وكمبيوتر كمي من شركة IBM. كانت التفاعلات بين الإلكترونات حاسمة في التحولات الجديدة للجزيء، ومن الصعب محاكاتها تمامًا باستخدام أجهزة الكمبيوتر التقليدية. لكن أجهزة الكمبيوتر الكمومية مبنية بالفعل من كائنات كمومية متفاعلة، لذا يمكنها إجراء عمليات محاكاة بمستوى أعلى من الثقة، كما يقول رونشيفيتش.

وهذا مثال على كيف يمكن لأجهزة الكمبيوتر الكمومية أن تكون مفيدة بالفعل في حل مشاكل الكيمياء في العالم الحقيقي، كما يقول عضو الفريق إيفانو تافيرنيللي في شركة IBM.

تقول جيما سولومون من جامعة كوبنهاجن في الدنمارك: “تعد هذه التجربة إنجازًا رائعًا عبر عدد من الأبعاد: الكيمياء العضوية، وعلوم الأسطح، وعلم النانو، وكيمياء الكم”.

يقول كينيشيرو إيتامي من المعهد العلمي الياباني RIKEN: “إنها دراسة جميلة وملهمة، حيث تجلب المفاهيم الطوبولوجية المجردة بشكل واضح إلى عالم الكيمياء الجزيئية”. ويقول الدراسة هي التقنية جولة القوة.

يقول دونغهو كيم من جامعة يونسي في كوريا الجنوبية، وهو رائد في العمل السابق على الجزيئات الشبيهة بموبيوس، إن القدرة على تحويل الجزيء من شكل إلى آخر أمر مثير للاهتمام بشكل خاص، لأنه قد يؤدي إلى تطبيقات في أجهزة الاستشعار. على سبيل المثال، يمكن للجزيئات أن تتحول بطريقة مبرمجة مسبقًا عند تعرضها للمجالات المغناطيسية.