מולקולות עם פיתול משולש

חוקרים הצליחו כעת לתכנן את המולקולה המפותלת הראשונה אי-פעם בסגנון שרשרת מוביוס. בזכות התכונות הקוונטיות יוצאות הדופן שלהם, מבנים אלו חשובים עבור יישומים חדשים באלקטרוניקה מולקולארית ובאופטו-אלקטרוניקה.

אלו מבנים תלת-ממדיים ועדיין בעלי צד יחיד: רצועות מֶבְּיוּס. לצורות מפותלות אלו יש צד אחד בלבד ושפה אחת בלבד והן מאתגרות את ההיגיון והדמיון שלנו. חוקרים הצליחו כעת לתכנן את המולקולה המפותלת הראשונה אי-פעם. בזכות התכונות הקוונטיות יוצאות הדופן שלהם, מבנים אלו חשובים עבור יישומים חדשים באלקטרוניקה מולקולארית ובאופטו-אלקטרוניקה.

צוות בינלאומי של חוקרים, בראשות הפרופסור לכימיה Rainer Herges מאוניברסיטת Kiel, הצליח לתכנן את המולקולה המפותלת הראשונה אי-פעם בעלת מבנה של רצועת מֶבְּיוּס (וויקיפדיה). בזכות התכונות הקוונטיות המיוחדות שלהם, מבנים אלו עשויים להיות חשובים ביישומים חדשים בתחומים של אלקטרוניקה מולקולארית ואופטו-אלקטרוניקה. במסגרת מאמר חדש שפרסמו החוקרים בכתב-העת המדעי Nature Chemistry, הם מסבירים כיצד הם ניצלו תכסיס טופולוגי על מנת להכין את המולקולות המוזרות הללו.

בשנת 1858, המתמטיקאים ג’ונתן בנדיקט ליסטינג ואוגוסט פרדיננד מביוס גילו באופן בלתי תלוי את הרצועות המפותלות הכוללות צד אחד ושפה אחת בלבד. מאז ועד היום, רצועות מוביוס העניקו השראה לארכיטקטים, אומנים ומדענים. כל אחד יכול ליצור מודל פשוט של מבנה זה – לוקחים סרט ארוך, מסובבים את אחד הקצוות מחצית הסיבוב, ואז מדביקים אותו לקצה השני. בניגוד לטבעת רגילה, שהשפה שלה כוללת שני מעגלים נפרדים, השפה של רצועת מביוס כוללת רק מעגל אחד – אם מעבירים אצבע לאורך השפה, משלימים את התנועה לאחר ביקור בכל נקודות השפה. התכונות הטופולוגיות של מבנה כזה מרתקות – לדוגמה, אם נחתוך אותו לאורכו, הרצועה לא תייצר, כמו ברצועה רגילה, שתי רצועות – אלא רצועה אחת בעלת קוטר כפול ופי ארבעה פיתולים.

בשנות השישים גם כימאים החלו להתעניין בטופולוגיה המיוחדת של מבנים אלו מאחר וחישובים תיאורטיים חזו קבלתן של תכונות שיפרו את אחד מהחוקים החשובים ביותר של כימיה הקשורים ליציבותן של מולקולות. אולם, לחוקרים לקח כמעט 50 שנים על מנת לייצר מולקולה מפותלת פשוטה בעלת מבנה כזה ולאמת את התחזיות. הקושי הגדול הוא לעוות ולפתל את המולקולות: בדומה לרצועות המורכבות מקרטון או מפלדה הן מתנגדות לפיתול ומתחילות לחזור למצבן המקורי הלא-מפותל כאשר משחררים את הקצוות שלהן. בשל כך, המדענים בנו את המולקולה שלהם משני חלקים: אחד החלקים הורכב מרכיב של רצועה רגילה והשני עוצב מראש במתכונת של חגורה. מיזוג של שני רכיבים אלו הביא ליצירת טבעת מפותלת.

יחד עם זאת, טבעות המפותלות בצורה משולשת מתוחות מדי על מנת שניתן יהיה לייצרן באופן כזה. אנו רואים זאת בחיי היומיום – על מנת להקל על המתח המבני, סלילים מפותלים מתפתלים מסביב לעצמם, כמו בכבלי טלפון או צינורות השקיה מפותלים. “אבני הבניין שבעזרתן נוכל לבנות את מולקולת המוביוס המפותלת שלנו הן שלושה רכיבי סלילים. הם נראים כמו מקטעים קצרים של סליל דנ”א,” מסביר החוקר הראשי.

שלא כמו מבנים מפותלים, מולקולות סליליות הן כן יציבות. ולמרות זאת, עדיין לא היה קל למזג את היחידות הסליליות לכדי מולקולת מוביוס אחת, זאת לאור העובדה כי הן כיראליות (וויקיפדיה). כיראליוּת היא העדר סימטריית מראה של עצם. בכימיה, מולקולה כּיראלית היא מולקולה שלא ניתן ליצור חפיפה בינה ובין תמונת המראה שלה באמצעות סיבוב במרחב. החוקרים נאלצו למצוא את האופן הנכון לשילוב של שלושת רכיבים אלו על מנת לעצב את המולקולה הרצויה. בסופו של דבר הם אכן הצליחו במשימה.

“בעזרת האסטרטגיה שלנו הוכחנו כי יותר פשוט לייצר מערכות מולקולאריות בעלות מספר פיתולים מאשר יחידות בעלות פיתול אחד,” מסביר החוקר הראשי. מולקולות המוביוס החדשות הן בעלות תכונות אלקטרוניות ואופטיות מעניינות. אלו תוכלנה לשמש, בסופו של דבר, כמרכיבים בפיתוח של מחשבים קוונטיים. “הביטים הקוונטיים” יוכלו להיות מוגדרים ע”י המצבים הטופולוגיים שלהם – מפותלים או לא-מפותלים, במקום עובר/לא עובר זרם חשמלי. בשל התכונות הקוונטיות המיוחדות שלהן, זרם חשמלי המושרה ע”י שדה מגנטי בתוך מולקולות מוביוס זורם בכיוון המנוגד לכיוון של טבעות רגילות.

הידיעה על המחקר