Міжнародна команда дослідників синтезувала молекулу з принципово новою електронною структурою, яка раніше не зустрічалася у природі, повідомляє ScienceX. У проєкті взяли участь фахівці з IBM, університету Манчестера, університету Оксфорда та федеральної вищої технічної школи Цюриха.
Електрони в новій молекулі рухаються спіралеподібною траєкторією. Під час кожного “оберту” їхня конфігурація повертається приблизно на 90 градусів і лише після чотирьох повних циклів повертається до початкового стану. Таку електронну конфігурацію називають напів-Мебіусовою топологією. За словами науковців, подібну структуру раніше не тільки не синтезували і не спостерігали, але навіть не передбачали теоретично.
Молекулу з формулою C₁₃Cl₂ створили буквально атом за атомом у лабораторії IBM. Початкову речовину підготували дослідники з Оксфорда, після чого в умовах надвисокого вакууму і температури, близької до абсолютного нуля, з неї по черзі видаляли атоми за допомогою точних електричних імпульсів.
Отриману структуру досліджували за допомогою сканувального тунельного та атомно-силового мікроскопів – технологій, які також були розроблені в IBM і за створення яких у 1986 році науковці отримали Нобелівську премію.
Втім, пояснити незвичайну поведінку молекули виявилося не менш складним завданням, ніж її синтезувати. Електрони всередині C₁₃Cl₂ взаємодіють надзвичайно складним чином, і моделювання таких процесів на класичних комп’ютерах потребує колосальних обчислювальних ресурсів.
Як пояснив один із авторів дослідження Ігор Рончевич з університету Манчестерa, класичні комп’ютери за останнє десятиліття змогли просунутися лише від точного моделювання систем із 16 електронами до приблизно 18. Натомість використання квантового комп’ютера IBM дозволило змоделювати систему з 32 електронами.
Квантове моделювання допомогло виявити спіральні молекулярні орбіталі та зрозуміти механізм формування цієї незвичайної топології. Крім того, дослідники показали, що електронну структуру молекули можна перемикати між трьома станами – із закручуванням за годинниковою стрілкою, проти неї або без закручування.
За словами віцепрезидента IBM Алессандро Куріоні, дослідження стало важливим кроком до ідеї, яку ще десятиліття тому висловив фізик Річард Фейнман – створення комп’ютера, здатного найкраще моделювати квантову фізику
Позначка: Молекули
Вчені відкрили новий спосіб перетворення сонячного світла на паливо
Дослідники з Університету Базеля у Швейцарії створили унікальну молекулу, натхненну процесом фотосинтезу в рослинах. Як повідомляє ScienceDaily, це відкриття є ключовим кроком на шляху до штучного фотосинтезу та виробництва вуглецево-нейтрального палива.
У природі фотосинтез дозволяє рослинам перетворювати енергію сонячного світла на багаті енергією молекули цукру з вуглекислого газу. Тварини та люди споживають ці сполуки, виділяючи назад СО2 та замикаючи природний цикл. Науковці прагнуть відтворити цей механізм, щоб створювати так зване “сонячне паливо” – водень, метанол чи синтетичний бензин, які під час спалювання виділятимуть лише ту кількість вуглекислого газу, що була використана для їх виробництва. Таким чином, паливо буде вуглецево нейтральним.
Команда професора Олівера Венгера описала у журналі Nature Chemistry молекулу, яка здатна одночасно накопичувати два позитивні та два негативні заряди. Це ключова умова для того, щоб перетворювати світло на хімічну енергію, адже саме заряди запускають реакції -наприклад, розщеплення води на водень і кисень.
Структура молекули побудована із п’яти частин, розташованих послідовно. Два сегменти з одного боку віддають електрони та набувають позитивного заряду. Два інші на протилежному кінці приймають електрони й стають негативно зарядженими. Центральний компонент поглинає світло й ініціює процес перенесення електронів.
Щоб накопичити чотири заряди, дослідники застосували двоступеневий підхід. Перший спалах світла запускає формування одного позитивного та одного негативного заряду, які розходяться до протилежних кінців молекули. Другий спалах повторює реакцію, у результаті чого молекула вже містить чотири заряди.
Новий метод дозволяє працювати з набагато слабшим світлом, наближеним за інтенсивністю до природного сонячного випромінювання. Раніше подібні експерименти вимагали потужних лазерів, що робило їх далекими від практичного застосування. Крім того, заряди в молекулі залишаються стабільними достатньо довго, аби їх можна було використати для подальших хімічних реакцій.
Однак, нова молекула ще не створила функціонуючу систему штучного фотосинтезу. Але, як стверджують дослідники, вони вже створили ключову частину такої системи.