В 1858 году математики Иоганн Бенедикт Листинг и Август Фердинанд Мебиус независимо друг от друга открыли скрученные ленты только с одной стороной и краем. С тех пор полоски Мебиуса вдохновляли архитекторов, художников и естествоиспытателей.
Сделать простую модель может любой желающий. Просто скрутите полоску бумаги на 180 градусов и соедините оба конца, чтобы получилась лента. Топологические свойства просто поражают воображение. Например, при продольном разрезе полоса не дает, как и обычная полоса, две полоски, а вместо этого получается одна полоска, вдвое большего диаметра и скрученная вчетверо.
В 1960-х химики также заинтересовались этой своеобразной топологией, потому что теоретические расчеты предсказали свойства, которые нарушили бы один из самых важных законов химии, касающихся стабильности молекул. Но на создание простой закрученной молекулы и подтверждение этих предсказаний ушло почти 50 лет. И здесь Райнер Хергес и его аспирант Дариуш Аджами из Кильского университета преуспели в этом проекте.
Сложность заключалась в том, чтобы скрутить молекулы: подобно полосам из картона или стали, они сопротивлялись скручиванию и начинали «раскручиваться», когда их отпускали на «концах». Поэтому ученые сконструировали свою молекулу из двух частей: одна часть представляла собой обычный полосообразный компонент, а другая имела заранее сформированную форму и имела форму ремня. Слияние этих двух компонентов неизбежно создает закрученное кольцо.
Однако кольца с тройной скрученностью слишком натянуты, чтобы их можно было сделать таким образом. В этом затруднительном положении надежда исходит от топологии. Наблюдение из повседневной жизни заключается в том, что для снятия напряжения скрученные ленты наматываются вокруг себя — лучше всего это видно в скрученных телефонных шнурах или садовых шлангах. «Строительными блоками для построения нашей трехскрученной молекулы Мебиуса являются три спиральных компонента.
Они выглядят как короткие участки спирали ДНК», — объясняет Райнер Хергес.В отличие от скрученных компонентов спиральные молекулы стабильны. Тем не менее, было нелегко объединить эти спиральные звенья в молекулу Мебиуса, потому что они хиральные. Это означает, что зеркальное изображение не может быть наложено на оригинал и что они вращаются в другом направлении.
Исследователи должны были найти правильный способ объединения трех компонентов, чтобы сконструировать желаемую молекулу. В конце концов, им это удалось.«С нашей стратегией на самом деле проще изготавливать трехскрученные или другие многократно скрученные молекулярные системы, чем однокрученные единицы», — резюмирует Хергес.
Молекулы Мебиуса из Киля обладают очень интересными электронными и оптическими свойствами. В конечном итоге их можно будет использовать в качестве компонентов для создания квантовых компьютеров. «Квантовые биты» будут определяться топологическими состояниями «скрученный» и «раскрученный» вместо включения и выключения напряжения.
Из-за своих специфических квантово-механических свойств токи, индуцированные магнитным полем в молекулах Мебиуса, текут в направлении, противоположном тому, которое они принимали бы в обычных кольцах.