Naukowcy z Radboud University opracowali syntetyczne cząsteczki, które przypominają prawdziwe cząsteczki organiczne. Współpraca naukowców, kierowana przez Alexa Khajetoorians i Daniela Wegnera, może teraz symulować zachowanie prawdziwych cząsteczek za pomocą sztucznych cząsteczek. W ten sposób mogą modyfikować właściwości cząsteczek w sposób, który normalnie jest trudny lub nierealistyczny, i mogą znacznie lepiej zrozumieć, jak zmieniają się cząsteczki.
Emil Sierda, który kierował eksperymentami na Uniwersytecie Radboud: „Kilka lat temu wpadliśmy na szalony pomysł zbudowania symulatora kwantowego. Chcieliśmy stworzyć sztuczne molekuły, które przypominałyby prawdziwe molekuły. Opracowaliśmy więc system, w którym możemy uwięzić elektrony. Elektrony otaczają cząsteczkę jak chmurę, a my wykorzystaliśmy te uwięzione elektrony do zbudowania sztucznej cząsteczki”. Wyniki uzyskane przez zespół były zdumiewające. Sierda: „Podobieństwo między tym, co zbudowaliśmy, a prawdziwymi cząsteczkami było niesamowite”.
Zmieniające się cząsteczki
Alex Khajetoorians, kierownik wydziału mikroskopii sondy skanującej (SPM) w Instytucie Molekuł i Materiałów Uniwersytetu Radboud: „Tworzenie cząsteczek jest wystarczająco trudne. Często trudniej jest zrozumieć, jak reagują określone cząsteczki, na przykład jak się zmieniają, gdy są skręcone lub zmienione”. Sposób, w jaki cząsteczki zmieniają się i reagują, jest podstawą chemii i prowadzi do reakcji chemicznych, takich jak tworzenie wody z wodoru i tlenu. „Chcieliśmy symulować cząsteczki, aby mieć najlepszy zestaw narzędzi do ich wyginania i dostrajania w sposób, który jest prawie niemożliwy w przypadku prawdziwych cząsteczek. W ten sposób możemy powiedzieć coś o rzeczywistych cząsteczkach, bez ich wytwarzania lub bez konieczności radzenia sobie z wyzwaniami, jakie stwarzają, takimi jak ich stale zmieniający się kształt”.
Benzen
Korzystając z tego symulatora, naukowcy stworzyli sztuczną wersję jednej z podstawowych cząsteczek organicznych w chemii: benzenu. Benzen jest składnikiem wyjściowym dla ogromnej ilości chemikaliów, takich jak styren, który jest używany do produkcji polistyrenu. Khajetoorczycy: „Wytwarzając benzen, symulowaliśmy podręcznikową cząsteczkę organiczną i zbudowaliśmy cząsteczkę, która składa się z pierwiastków, które nie są organiczne”. Co więcej: cząsteczki są 10 razy większe niż ich rzeczywiste odpowiedniki, co ułatwia pracę z nimi.
Praktyczne zastosowania
Zastosowania tej nowej techniki są nieograniczone. Daniel Wegner, adiunkt w dziale SPM: „Zaczęliśmy dopiero wyobrażać sobie, do czego możemy to wykorzystać. Mamy tyle pomysłów, że trudno zdecydować, od czego zacząć”. Korzystając z symulatora, naukowcy mogą znacznie lepiej zrozumieć cząsteczki i ich reakcje, co przyda się w każdej możliwej dziedzinie nauki. Wegner: „Nowe materiały na przyszły sprzęt komputerowy są na przykład bardzo trudne do wykonania. Tworząc symulowaną wersję, możemy szukać nowych właściwości i funkcji niektórych cząsteczek i oceniać, czy warto stworzyć prawdziwy materiał”. W dalekiej przyszłości różne rzeczy mogą być możliwe: zrozumienie reakcji chemicznych krok po kroku, jak na filmie w zwolnionym tempie, lub tworzenie sztucznych jednocząsteczkowych urządzeń elektronicznych, takich jak zmniejszanie rozmiaru tranzystora w chipie komputerowym. Sugeruje się nawet, że symulatory kwantowe działają jak komputery kwantowe. Sierda: „Ale to jeszcze długa droga, na razie możemy zacząć od zrozumienia cząsteczek w sposób, jakiego nigdy wcześniej nie rozumieliśmy”.