Химики завязали самый тугой узел в истории, состоящий всего из 54 атомов
Ученые случайно завязали самый маленький и тугой узел за всю историю, заняв первое место в Книге рекордов Гиннеса. Микроскопический узел содержит всего 54 атома, которые трижды скручиваются в переплетающуюся петлю, называемую узлом «трилистник», без свободных концов.
Эта форма «трехлистного клевера» — простейший из нетривиальных узлов, и она является фундаментальной для математической теории узлов.
В 2020 году химики в Китае заставили цепочку из 69 атомов трижды перекрутиться, образуя трилистник. Теперь исследователи из Университета Западного Онтарио в Канаде и Китайской академии наук объединили усилия и побили этот рекорд.
По мере того как соотношение атомов к «обратным пересечениям» уменьшается, прочность молекулярного узла становится сильнее. Узел, созданный в 2020 году, имеет коэффициент пересечения основной цепи (BCR, backbone crossing ratio) 23. У нового узла коэффициент равен 18.
Большинство органических молекулярных узлов имеют BCR от 27 до 33. Хотя эксперты не уверены, насколько маленькими или плотными они смогут продолжать образовывать одноцепочечные узлы, квантово-химические расчеты показывают, что наиболее стабильная структура трилистника имеет длину около 50 молекул, что означает, что ученые приближаются к теоретическому пределу.
Недавнее достижение приблизило экспертов как никогда к микроскопическим узлам, которые естественным образом образуются в ДНК, РНК и различных белках нашего тела. Более того, новые формы узлов могут помочь ученым создавать более качественные пластмассы и полимеры.
«Молекулярные узлы, синтез которых представляет множество проблем, могут играть важную роль в структуре и функциях белков, а также в полезных молекулярных материалах, свойства которых зависят от размера узловой структуры», — объясняет команда исследователей.
Как и многие научные открытия, это стал счастливой случайностью. Ученые работали в лаборатории над созданием ацетилидов металлов, которые представляют собой алкины (разновидность углеводородов) с удаленным на конце водородом. Этот конечный продукт очень полезен, поскольку может помочь ученым проводить органические химические реакции.
При соединении ацетилида золота с другой углеродной структурой, называемой дифосфиновым лигандом, команда неожиданно создала узел-трилистник вместо золотой цепочки, или катенана.
С 1989 года химики пытаются связать молекулярные узлы, направляя спиральные цепи в желаемую структуру с помощью ионов металлов.
Например, в 2020 году химики завязали самый тугой на тот момент узел трилистника, используя атомы металлов, чтобы «сложить и переплести» молекулярную нить. Когда эти атомы металла удаляются в конце процесса, узел невозможно развязать.
Новейший «металлический узел» из золота отличается тем, что он собирается сам.
«Это довольно сложная система, и, честно говоря, мы до конца не знаем, как все происходит», — говорят исследователи. Они надеются, что их узел «обеспечит сильную мотивацию для создания подобных, но, как мы надеемся, более надежных структур путем самостоятельной сборки» в будущем.
Исследование было опубликовано в журнале Nature Communications.