Как химики случайно сделали то, что не мог сделать никто: самый маленький узел в мире из 54 атомов

Узлы — это не только элементы украшений, упаковок и одежды, но и важные объекты изучения в математике, физике и биологии. Узлы могут образовываться в молекулах, нитях ДНК, белках и других структурах, влияя на их свойства и функции. Химики пытаются создавать искусственные узлы из атомов и молекул, чтобы исследовать их характеристики и потенциальные применения. Но как сделать самый маленький и прочный узел в мире?

Оказывается, что ответ на этот вопрос может быть найден случайно. Так произошло с группой химиков из Китая и Канады, которые недавно установили новый рекорд, завязав узел из всего 54 атомов. Этот узел имеет форму трехлистного клевера, известного как узел Трилистник, и является одним из самых простых и распространенных узлов в природе. Он также имеет очень высокую прочность, которая измеряется с помощью коэффициента пересечения основания (КПО). Чем меньше КПО, тем труднее развязать узел. У рекордного узла КПО равен 23, что гораздо меньше, чем у большинства органических узлов, имеющих КПО от 27 до 33.

Интересно, что химики не планировали создать такой узел. Они работали над синтезом металлоацетилидов — соединений, содержащих атомы углерода и металла, в частности золота. Обычно такие соединения образуют простые цепочки, называемые катернанами. Но в одном из экспериментов произошло неожиданное: цепочка замкнулась в узел без свободных концов. Химики обнаружили этот узел с помощью спектроскопии и кристаллографии и подтвердили его структуру с помощью вычислительных моделей.

Как именно произошло образование узла, пока неясно. Возможно, что в реакции участвовали не только атомы золота, но и другие элементы, такие как кислород и азот, которые могли влиять на формирование цепочки. Также возможно, что узел образовался благодаря термодинамической стабилизации: узел имеет меньшую энергию, чем развязанная цепочка, и поэтому более выгоден с точки зрения физики. Это напоминает процесс свертывания белков, когда они принимают определенную трехмерную форму, которая минимизирует их энергию.

Создание самого маленького узла в мире — это не только удивительное достижение, но и полезное открытие. Узлы могут иметь разные свойства, в зависимости от их формы, размера и материала. Например, узлы могут изменять электрическую проводимость, магнитность, оптическую активность и другие характеристики материалов. Узлы также могут служить строительными блоками для создания новых типов полимеров и пластиков, которые могут иметь различные применения в химии, биологии, медицине и технологии. Кроме того, узлы могут помочь понять, как образуются и функционируют узлы в природе, например, в молекулах ДНК и РНК, которые играют ключевую роль в хранении и передаче генетической информации.

Узлы — это не только красивые и интересные объекты, но и мощные инструменты для исследования и создания новых материалов. Химики продолжают экспериментировать с различными способами завязывания узлов на атомном и молекулярном уровне, чтобы открыть новые возможности и решить сложные задачи. Возможно, что в будущем мы сможем увидеть узлы, которые будут еще меньше, прочнее и функциональнее, чем самый маленький узел в мире, завязанный случайно.