Как бе открит "молекулярен Айнщайн“

Ваня Милева Последна промяна на 19 февруари 2025 в 00:00 2462 0

Непериодични повърхностни триъгълници и дефекти

Кредит Empa
Триъгълници и дефекти: Поради хиралността – ориентацията – на молекулите, отделните триъгълни плочки никога не пасват идеално една към друга. Появяват се дефекти и отмествания, които придават апериодичност на повърхността.

Странен молекулярен модел, първоначално погрешно приет за грешка, доведе до неочаквано откритие: молекули, образуващи неповтарящи се структури, подобни на проблема с мозайката с забележителната плочка "Айнщайн".

Това явление, задвижвано от хиралност и енергиен баланс, може да проправи пътя за нови открития в молекулярната физика.

Загадката на мозайката "Айнщайн"

На кръстопътя между математиката и плочкаджийството се намира проблемът "Айнщайн" - пъзел, който въпреки името си няма нищо общо с Алберт Айнщайн. Въпросът е прост, но дълбок: може ли плочка с една и съща форма да облицова безкрайна повърхност, без изобщо да създаде повтарящ се модел? През 2022 г. английският математик аматьор Дейвид Смит откри такава форма, известна като "протоплочка".

Химикът Карл-Хайнц Ернст (Karl-Heinz Ernst) от швейцарските федерални лаборатории Empa никога не е очаквал този математически проблем да премине в неговата област на изследване. Работата му се фокусира върху това как молекулите кристализират върху метални повърхности, а не върху задачи с плочки. Но това се променя, когато неговият докторант Ян Фойгт (Jan Voigt) прави необичайно откритие. В един експеримент определена молекула кристализира върху сребърна повърхност - не в очакваната подредена структура, а в неправилна подредба, в която никога шарките не се повтарят. Още по-удивителното е, че всеки път, когато експериментът се повтаря, се появява различен непериодичен модел (патерн).

Първоначално Ернст и Фойгт предполагат, че е станала грешка. Но като се задълбочават, разбират, че моделите са реални.

Защо молекулите се подреждат по този начин? Отговорът, сега публикуван в Nature Communications, разкрива неочаквана връзка между химията и дългогодишна математическа загадка.

Хирална молекула трис (тетрахелиценбензен)Изследователите са използвали молекула, наречена tris(tetrahelicenebenzene) или t[4]HB, която може лесно да промени своята хиралност. Кредит: Empa

Странната роля на хиралността

Ернст и Фойгт се интересуват от така наречената хиралност, която характеризира много органични молекули. Въпреки че хиралните структури са химически идентични, те не могат да се завъртят и да съвпаднат една с друга – подобно на нашите дясна и лява ръка. Това свойство е особено важно във фармацевтичната индустрия. Повече от половината от всички съвременни лекарства са хирални. Тъй като всички биомолекули като аминокиселини, захари и протеини в нашето тяло имат еднаква хиралност, активните фармацевтични съставки също трябва да бъдат с една и съща хиралност. Лекарство с неправилна хиралност е в най-добрия случай неефективно, а в най-лошия дори вредно.

Хиралността на живота

Съществуването на огледални версии на молекулите се нарича хиралност. Молекулите на аминокиселини и захари могат да се сгъват в две огледално-симетрични структури - огледални една на друга като лявата и дясната ни ръка и няма разлика между тях в химичните им свойства.

Всички живи организми на Земята обаче използват само една от тези форми - само L-аминокиселини и само D-захари. 

Ако молекулата в биологичната система се замени с огледалната й версия, системата често ще функционира неправилно или ще спре да функционира изобщо. В случая на ДНК, една захар с грешна ориентация би нарушила стабилната спирална структура на молекулата.

Може да се различават L и D молекулите по тяхното взаимодействие със светлината. Когато чист изомер преминава през разтвор, равнината на поляризираната светлина се завърта по посока на часовниковата стрелка или обратно. И още откривателят на  тази биологична хомохиралност, Луи Пастьор, предполага, че не химическите, а физичните свойства на оптичните изомери са довели до това, че някои от тях доминират в биосферата. 

От откриването на това свойство на живота през 1848 г. и досега то остава една от основните загадки на биологията-  учените се питат дали хомохиралността на живота се е появила случайно или заради някакъв неизвестен фактор.

Следователно контролирането на хиралността по време на синтеза на органични молекули е от огромен интерес в химията. Една от възможностите е кристализацията на хирални молекули. Той е евтин, ефективен и широко използван – и въпреки това не е напълно разбран. Изследователите на Empa първоначално са се опитвали да продължат да изследват това с техния експеримент. Те вземат много специална молекула, която лесно променя посоката си на стайна температура – ​​нещо, което повечето хирални молекули практически никога не правят.

"Очаквахме молекулите да се подредят в кристала в съответствие с тяхната хиралност", обяснява Карл-Хайнц Ернст, "тоест или да се редуват, или да са в групи с една и съща хиралност."

Вместо това, молекулите привидно произволно се подреждат в триъгълници с различни размери, които от своя страна образуват неправилни спирали на повърхността – неповтарящата се или непериодична структура, която изследователите първоначално смятат за грешка.

Молекулярни шапки на АйнщайнГеометричният "Айнщайн": Ако облицовате повърхност с тази форма, моделът никога не се повтаря. Кредит: David Smith, Joseph Samuel Myers, Craig S. Kaplan, Chaim Goodman-Strauss / CC BY 4.0 CC BY

От части на пъзел до физика

След много лутане Фойгт и Ернст най-накрая успяват да дешифрират молекулярните модели – не само чрез физика и математика, но и като ги изпробват с реални парчета пъзел на компютъра или дори у дома на кухненската маса. Подреждането на молекулите не е напълно произволно. Те образуват триъгълници, със страни с дължина между две и 15 молекули. Във всеки експеримент доминира размерът на един триъгълник. Нещо повече, триъгълници с един размер по-големи и с един размер по-малки също има – но не и други.

"При нашите експериментални условия молекулите "искат" да покрият сребърната повърхност възможно най-плътно, защото това е най-енергийно благоприятният резултат", обяснява Ернст. "Но поради тяхната хиралност, триъгълниците, които образуват, не се вписват точно в краищата и трябва да бъдат леко изместени."

По-малкият и по-големият триъгълник са необходими, за да се запълни повърхността възможно най-ефективно. Тази подредба създава и дефекти на някои места – малки несъответствия или дупки, които могат да се превърнат в център на спирала.

Силата на ентропията

"Дефектите всъщност са неблагоприятни по отношение на енергията", продължава Ернст. "В този случай обаче те позволяват по-плътно подреждане на триъгълниците, което компенсира "загубената" енергия."

Този баланс също така обяснява защо изследователите никога не са открили един и същ модел два пъти: ако всички модели са еднакви по отношение на тяхната енергийна цена, решава ентропията.

Мистерията на "молекулярния Айнщайн" е разгадана – но каква е ползата ни от това прозрение?

"Повърхностите с дефекти на атомно или молекулярно ниво могат да имат уникални свойства", обяснява Ернст. "По-специално за непериодична повърхност като нашата, бе предсказано, че електроните в нея ще се държат по различен начин и че това може да доведе до нов вид физика."

За да се изследва това обаче, непериодичната молекула трябва да бъде изследвана под въздействието на магнитни полета върху различна повърхност.

Справка: “An aperiodic chiral tiling by topological molecular self-assembly” by Jan Voigt, Miloš Baljozović, Kévin Martin, Christian Wäckerlin, Narcis Avarvari and Karl-Heinz Ernst, 2 January 2025, Nature Communications. DOI: 10.1038/s41467-024-55405-5

Източник: Scientists Thought They Made a Mistake – But It Led to a Groundbreaking “Molecular Einstein” Discovery, Anna Ettlin, Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology (EMPA)

Виж още за:
    Най-важното
    Всички новини

    Още от Физика

    Коментари

    За писането на коментар е необходима регистрация.
    Моля, регистрирайте се от TУК!
    Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!

    Няма коментари към тази новина !