جزيئات ذات حلزون ثلاثي

لقد نجح الباحثون الآن في تصميم أول جزيء ملفوف على شكل سلسلة موبيوس. وبفضل خصائصها الكمية الاستثنائية، تعد هذه الهياكل مهمة للتطبيقات الجديدة في مجال الإلكترونيات الجزيئية والإلكترونيات الضوئية.

هذه هياكل ثلاثية الأبعاد ولا يزال لها جانب واحد: شرائط موبيوس. هذه الأشكال الملتوية لها جانب واحد فقط وشفة واحدة فقط وتتحدى منطقنا وخيالنا. لقد نجح الباحثون الآن في تصميم أول جزيء ملفوف على الإطلاق. وبفضل خصائصها الكمية الاستثنائية، تعد هذه الهياكل مهمة للتطبيقات الجديدة في مجال الإلكترونيات الجزيئية والإلكترونيات الضوئية.

نجح فريق دولي من الباحثين، بقيادة أستاذ الكيمياء راينر هيرجيس من جامعة كيل، في تصميم أول جزيء ملفوف على الإطلاق ببنية شريط موبيوس (ويكيبيديا). وبفضل خصائصها الكمية الخاصة، قد تكون هذه الهياكل مهمة في التطبيقات الجديدة في مجالات الإلكترونيات الجزيئية والإلكترونيات الضوئية. وفي ورقة بحثية جديدة نشرها الباحثون في المجلة العلمية Nature Chemistry، يشرحون كيف استخدموا خدعة طوبولوجية لتحضير هذه الجزيئات الغريبة.

في عام 1858، اكتشف عالما الرياضيات جوناثان بنديكت ليستينج وأوغست فرديناند مبيوس بشكل مستقل الخطوط الملتوية التي لها جانب واحد وشفة واحدة فقط. ومنذ ذلك الحين، ألهمت شرائط موبيوس المهندسين المعماريين والفنانين والعلماء. يمكن لأي شخص إنشاء نموذج بسيط لهذا الهيكل - خذ قطعة طويلة من الشريط، ولف أحد طرفيه نصف دورة، ثم قم بلصقه على الطرف الآخر. على عكس الحلقة العادية، التي تشتمل حافتها على دائرتين منفصلتين، فإن حافة شريط ميبيوس تتضمن دائرة واحدة فقط - إذا قمت بتحريك إصبعك على طول الحافة، فإنك تكمل الحركة بعد زيارة جميع نقاط الحافة. إن الخصائص الطوبولوجية لمثل هذا الهيكل رائعة - على سبيل المثال، إذا قطعناها بالطول، فلن ينتج الشريط، كما هو الحال في الشريط العادي، شريطين - ولكن شريطًا واحدًا يبلغ قطره ضعف القطر وأربعة أضعاف الالتواءات.

وفي الستينيات، أصبح الكيميائيون مهتمين أيضًا بالطوبولوجيا الخاصة لهذه الهياكل حيث تنبأت الحسابات النظرية بتلقي خصائص تحسن أحد أهم قوانين الكيمياء المتعلقة بثبات الجزيئات. ومع ذلك، فقد استغرق الباحثون ما يقرب من 50 عامًا لإنتاج جزيء ملفوف بسيط بمثل هذا الهيكل والتحقق من التوقعات. تكمن الصعوبة الكبرى في ثني الجزيئات ولفها: مثل الشرائط المصنوعة من الورق المقوى أو الفولاذ، فهي تقاوم الالتواء وتبدأ في العودة إلى حالتها الأصلية غير الملتوية عندما يتم تحرير أطرافها. ولهذا السبب، قام العلماء ببناء جزيئهم من جزأين: جزء يتكون من مكون حزام عادي والآخر تم تشكيله مسبقًا على شكل حزام. أدى اندماج هذين المكونين إلى إنشاء حلقة ملفوفة.

وفي الوقت نفسه، تكون الحلقات المثلثة ممتدة جدًا بحيث لا يمكن إنتاجها بهذه الطريقة. ونحن نرى هذا في الحياة اليومية - من أجل تخفيف الضغط الهيكلي، تلتف الملفات الملتفة حول نفسها، كما هو الحال في كابلات الهاتف أو أنابيب الري الملتفة. "إن اللبنات الأساسية التي يمكننا من خلالها بناء جزيء موبيوس الملفوف هي ثلاثة مكونات حلزونية. "إنها تبدو وكأنها أجزاء قصيرة من حلزون الحمض النووي" ، يوضح الباحث الرئيسي.

على عكس الهياكل الملتفة، فإن الجزيئات الحلزونية مستقرة. وعلى الرغم من ذلك، لم يكن من السهل دمج الوحدات الحلزونية في جزيء موبيوس واحد، وذلك في ضوء كونها حلزونية (ويكيبيديا). Chirality هو عدم وجود تماثل المرآة لجسم ما. في الكيمياء، الجزيء اللولبي هو جزيء لا يمكنه خلق تداخل بينه وبين صورته المرآة من خلال الدوران في الفضاء. وكان على الباحثين إيجاد الطريقة الصحيحة للجمع بين هذه المكونات الثلاثة من أجل تصميم الجزيء المطلوب. وفي النهاية نجحوا في المهمة.

يوضح الباحث الرئيسي: "بمساعدة استراتيجيتنا، أثبتنا أنه من الأسهل إنتاج أنظمة جزيئية ذات لفات متعددة مقارنة بوحدات ذات لف واحد". تتمتع جزيئات موبيوس الجديدة بخصائص إلكترونية وبصرية مثيرة للاهتمام. ويمكن استخدامها في نهاية المطاف كمكونات في تطوير أجهزة الكمبيوتر الكمومية. يمكن تعريف "البتات الكمومية" من خلال حالاتها الطوبولوجية - الملتوية أو غير الملتوية، بدلاً من تمرير / عدم تمرير تيار كهربائي. ونظرًا لخصائصها الكمية الخاصة، فإن التيار الكهربائي الناجم عن المجال المغناطيسي داخل جزيئات موبيوس يتدفق في الاتجاه المعاكس لاتجاه الحلقات العادية.

أخبار الدراسة