Într -o premieră științifică ce extinde granițele înțelegerii materiei, o echipă de cercetători a reușit să construiască o moleculă cu o arhitectură electronică fără precedent.

Această nouă structură, pe care au denumit-o „topologie half-Möbius”, nu este doar o curiozitate, ci reprezintă un nou parametru pe care oamenii de știință îl pot ajusta pentru a crea și controla materia, deschizând drumuri nebănuite în fizică și chimie.

Pentru a înțelege mai bine inovația, este util să ne gândim la o bandă Möbius, acea minune geometrică obținută printr-o răsucire de 180 de grade a unei panglici înainte de a-i uni capetele. Rezultatul este o suprafață continuă, fără un interior sau exterior clar delimitat.

În chimia moleculară, o geometrie similară influențează profund distribuția electronilor. De obicei, electronii sunt localizați în jurul unui atom sau al unei legături specifice.

Totuși, în cazul anumitor compuși ciclici, cunoscuți sub numele de inele conjugate, electronii pot circula liber pe întreaga structură, deasupra și dedesubtul planului atomic, un fenomen numit „delocalizare”.

Această mobilitate le conferă moleculelor o stabilitate neașteptată și le modulează proprietăți esențiale precum culoarea, comportamentul optic sau reactivitatea. Într -o moleculă de tip Möbius, orbitalii electronici sunt răsuciți cu 180 de grade în punctul unde capetele se întâlnesc.

Electronii pot continua să circule prin întreaga moleculă, dar în zona de îmbinare, anumite proprietăți se anulează reciproc, ducând la comportamente fundamental diferite față de moleculele obișnuite.

Până acum, se credea că aceste două variante – fără răsucire sau cu o răsucire completă de 180 de grade – erau singurele opțiuni posibile. Dar, așa cum a subliniat Igor Rončević, co-autor al studiului, descoperirea de față dezvăluie o a treia variantă: o răsucire de doar 90 de grade.

Pentru a crea această moleculă inedită, echipa, coordonată de Rončević și Leo Gross de la IBM Zurich din Elveția, a conceput un sistem ingenios. Au integrat două sisteme conjugate într-un inel format din 13 atomi de carbon.

Rolul crucial l-au jucat doi atomi de clor, poziționați strategic, care au separat aceste sisteme și au indus o distribuție inegală a electronilor: o parte a inelului a rămas cu 13 electroni, iar cealaltă doar cu 11.

Dat fiind că electronii tind să formeze perechi pentru stabilitate, molecula a reacționat într-un mod spontan și surprinzător. S -a răsucit cu 90 de grade, împingând un atom de clor în sus și pe celălalt în jos.

Această mișcare a realiniat cele două sisteme, permițând electronilor să se împerecheze și să se distribuie uniform pe întreaga structură, care a ajuns la un total de 24 de electroni.

Rezultatul este o structură unică ce manifestă proprietăți electronice și magnetice complet noi, distincte atât de cele ale moleculelor clasice, cât și de cele de tip Möbius.

Mai mult, această răsucire limitată la 90 de grade dă naștere și la două variante ale moleculei, cunoscute sub numele de enantiomeri.

Practic, molecula poate exista în două forme oglindite, asemeni mâinii stângi și mâinii drepte, un fenomen esențial în chimie, numit chiralitate, cu aplicații vaste în dezvoltarea medicamentelor și a materialelor optoelectronice.

Un aspect deosebit de interesant este că cercetătorii au reușit să transforme o formă în cealaltă printr-o simplă aplicare a unei tensiuni electrice mici, o realizare deosebit de dificilă prin metode chimice tradiționale.

Pentru a decifra și înțelege pe deplin această structură complexă, echipa a utilizat calcule avansate, inclusiv puterea computerelor cuantice de ultimă generație. Rezultatele detaliate ale acestei munci de pionierat au fost publicate în prestigiosul jurnal Science.

Pe viitor, cercetătorii își propun să exploreze și mai departe acest tip nou de arhitecturi moleculare.

Leo Gross, de la IBM Zurich, subliniază potențialul de extindere a acestui concept, vizând crearea de arhitecturi complexe cu multiple răsuciri half-Möbius sau chiar structuri împletite, deschizând calea pentru materiale cu proprietăți cu totul neașteptate.

Această descoperire nu doar că adaugă un capitol nou în cartea chimiei, dar promite și noi instrumente pentru ingineria moleculară a viitorului.