Calculul cuantic întâlnește moleculele Möbius: O nouă frontieră în chimia cuantică

Săptămâna trecută, IBM a anunțat cu entuziasm contribuția sa la un studiu neobișnuit: producerea unei molecule cu topologie semi-Möbius, cu ajutorul unui algoritm parțial rulat pe un calculator cuantic. Articolul este complex și a necesitat ceva timp pentru a fi pe deplin înțeles. Totuși, este fascinant în ceea ce privește tipurile de chimie pe care le putem construi folosind instrumentele dezvoltate în ultimele decenii, precum și modul în care calculul cuantic devine din ce în ce mai util.

Pentru a înțelege pe deplin acest subiect, trebuie să explorăm trei povești distincte, pe care le vom aborda separat înainte de a uni imaginea de ansamblu.

Cei dintre voi care își amintesc lecțiile de chimie din liceu probabil că își amintesc de benzen, un inel format din șase atomi de carbon cu legături alternante simple și duble, care mențin toți atomii de carbon într-un singur plan, creând o moleculă plată. Ce este mai puțin probabil să vă amintiți este că legăturile duble sunt mediate de orbitali care se extind vertical deasupra și dedesubtul nucleului atomilor de carbon. Datorită naturii alternante a legăturilor simple-duble, electronii din acești orbitali devin delocalizați; diferențele dintre legături devin oarecum irelevante, iar molecula este cel mai bine descrisă ca având unii electroni care plutesc într-un nor.

Modul în care orbitalii sunt aranjați în benzen face ca orice electroni care circulă în jurul moleculei să ajungă în punctul de unde au plecat. Prin legarea altor atomi de inelul de carbon, este posibil să plasăm orbitalii sub diferite unghiuri față de verticală. Cu combinația potrivită de orbitali suplimentari, este posibil să răsucim lucrurile astfel încât un electron care începe deasupra moleculei (presupunând că inelul este așezat plat pe o suprafață) să ajungă în partea de jos până când completează un circuit complet în jurul inelului. Acesta ar trebui să facă un al doilea circuit în jurul inelului pentru a ajunge înapoi de unde a plecat.

Aceasta are un analog direct în urmărirea unei căi de-a lungul suprafeței unei benzi Möbius, unde este necesar de asemenea să efectuezi două circuite pentru a ajunge înapoi de unde ai plecat. De fapt, au fost sintetizate în trecut unele molecule Möbius simple.

Ceea ce diferențiază noua cercetare este utilizarea faptului că există mult mai multe opțiuni pentru orbitali și legături decât vedem în derivații simpli de benzen. Echipa internațională mare (care include atât academicieni cât și cercetători IBM) a găsit o modalitate de a crea o configurație semi-Möbius, în care orbitalii unei molecule în formă de inel sunt aranjați astfel încât, după un singur circuit în jurul moleculei, un electron să nu fie nici în partea de sus, nici în cea de jos a moleculei, ci undeva în jurul periferiei.

Ar fi necesar să efectueze două circuite doar pentru a ajunge în partea de jos și încă două pentru a reveni de unde a plecat.

Aceasta nu este o configurație stabilă; lăsată de capul ei

calcul cuantic, molecule Möbius, IBM, chimie cuantică, benzen, orbitali, electroni delocalizați, cercetare internațională, topologie semi-Möbius, legături chimice, algoritm cuantic, stabilitate moleculară, inovație în chimie, chimie avansată, fizică cuantică, molecule răsucite, electroni, configurație moleculară, cercetare IBM, chimie modernă

Sursa: Ars Technica

Știință&Tehnică

Revista “Ştiinţă şi Tehnică“, cea mai cunoscută şi longevivă publicaţie de popularizare a ştiintelor din România