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化学家合成了第一个“半莫比乌斯”结构的碳基分子。图片来源：IBM研究院、曼彻斯特大学

在一项3月5日发表于《科学》的研究中，科学家合成了一种具有前所未有扭曲特性的碳基分子，称之为“半莫比乌斯”分子。这种分子的特殊之处在于构成环的原子链仅扭转了90度，而非完整的180度。

“90度很有趣，因为它既可以向左扭转，也可以向右扭转。”论文作者、英国曼彻斯特大学的Igor Roncevic说，这两种扭转方式与化学家所说的“手性”有所不同——这意味着，就像左手和右手手套一样，它们与自身的镜像存在显著差异。

要制作一个普通的莫比乌斯带，需要将一条带子扭转180度，然后把两端连接在一起。它是以18世纪德国数学家莫比乌斯的名字命名的，后者首先描述了莫比乌斯带的性质。

莫比乌斯带是一种具有一个连续表面的扭曲环，一直激励着化学家创造新的分子结构。比如，2003年，德国基尔大学的Rainer Herges团队合成了第一个“莫比乌斯”分子。

在这项研究中，来自美国IBM公司、曼彻斯特大学、瑞士苏黎世联邦理工学院等机构的研究团队创造了一个由13个碳原子组成的“半莫比乌斯”环。环的两端各有一个碳原子与一个氯原子结合，而剩下的11个碳原子则直接与相邻的碳原子连接。每个碳原子都有两个电子，其轨道呈杠铃状，垂直于环向外突出。

这些杠铃状结构与它们的邻居形成了额外的键，即化学家所说的共轭结构。在这种结构中，电子被链中的许多原子共享。各种类型的共轭结构形成了苯等芳烃分子及石墨烯等二维材料的一些特殊性质。

形成莫比乌斯带的带状结构的横截面通常是直线，而这项研究的两个杠铃状轨道交叉形成了一个“+”形状。这意味着它们可以在连接前扭转90度，形成具有新的几何特性的形状或拓扑结构的分子。

研究团队发现，在分子的半莫比乌斯态中，扭转使原子能共享电子，即每个轨道都填充偶数个电子。作者认为，这使得这种分子比未扭转的分子更稳定。实验表明，分子可以转换到这种能量更高的未扭转状态，然后再放松回到可能存在的左旋或右旋状态。

“这是一项了不起的成就。”丹麦哥本哈根大学的Gemma Solomon说，“共轭分子的替代拓扑结构能否开辟新的应用领域，比如对磁场的额外灵敏度等，还有待观察。”

“据我所知，这是首个此类分子。”Herges表示，“半莫比乌斯”分子不同寻常的几何结构可能会影响电子在内部的移动方式，从而导致“不同寻常的磁性和自旋依赖效应”。他说，这种分子有可能成为一种由大量粒子集体行为产生的状态，即准粒子的系统。这种状态通常出现在固体材料而非分子中。

相关论文信息：//doi.org/10.1126/science.aea3321