Физики создали молекулу размером с живую клетку

Учёные создали из двух атомов молекулу, сравнимую по размерам с бактериями. Эту частицу можно разглядеть в оптический микроскоп.

Подробности исследования описаны в научной статье, опубликованной в журнале Science учёными из США, Германии и Дании.

Насколько малы молекулы? Правильный ответ на этот вопрос: "Смотря какие". Если вытянуть в одну линию молекулу ДНК из человеческой хромосомы, её длина превысит четыре сантиметра (!). Но нить ДНК – это цепочка из многих миллиардов атомов. Такие вещества – исключение, а не правило.

В большинстве молекул насчитываются единицы или десятки атомов. Например, в молекуле воды их три, кислорода – два, сахарозы – 45. Какими габаритами могут похвастаться такие молекулы?

Всё просто: в стакане воды больше молекул, чем стаканов воды в Мировом океане. Такие частицы невозможно увидеть в оптический микроскоп, поскольку от них не отражается свет. Их размеры попросту меньше длины волны света (0,4–0,8 микрометра).

Столь маленькие объекты трудно изучать экспериментально. А физики и химики нуждаются в этом, поскольку состав и строение молекулы – это именно то, что отличает одно вещество от другого. Детальное изучение строения и взаимодействия молекул могло бы облегчить создание веществ с заданными свойствами, в том числе новых лекарств и материалов.

Теперь учёные совершили, казалось бы, невозможное, создав двухатомную молекулу длиной более 0,7 микрометра. Она сравнима по размерам с бактериями и может быть "сфотографирована" оптическим микроскопом.

Авторы использовали ультрахолодные ридберговские атомы рубидия. Поясним, что такой атом имеет на внешней орбитали один электрон, находящийся очень далеко от ядра (по атомным меркам). Все остальные электроны, которых у рубидия ещё 36, находятся гораздо ближе к ядру и с внешним электроном почти не взаимодействуют. Такая система напоминает атом водорода, только ядро у него – ядро исходного элемента, в данном случае рубидия.

Именно огромное расстояние от внешнего электрона до ядра и позволило создать гигантские молекулы. Кроме того, ридберговские атомы устроены гораздо проще обычных с их обилием взаимодействующих электронов. Поэтому они легче поддаются расчёту и манипулированию.

Физики разместили атомы в виде плоской решётки из квадратных ячеек. В каждом углу ячейки находился ровно один атом. Расстояние между ближайшими "соседями" составляло 0,53 микрометра. Покидать свои места атомам мешали лазерные лучи.

Затем новый лазерный импульс провоцировал некоторые атомы на то, чтобы вступать друг с другом в химическую связь. В этом случае атом делился электроном с соседом, отделённым от него диагональю квадрата, и тот отвечал взаимностью. Теперь каждый электрон притягивался к обоим ядрам сразу и скреплял их в единое целое. Получалась двухатомная молекула, причём расстояние между её атомами было равно диагонали квадрата (более 0,7 микрометра).

Молекулу, в отличие от отдельного атома, лазерная ловушка уже не удерживала. Картина получалась прямо-таки романтическая: два атома, слившись в объятиях, покидали устроенную для них тюрьму.

После такого события физики фиксировали в решётке пустые места, отделённые друг от друга диагональю ячейки. Причём делали они это с помощью оптического микроскопа. Таким образом, хотя они и не увидели в этот микроскоп саму молекулу, они наблюдали её след в натуральную величину – как будто дырку в паззле, из которого вынули элемент.

В дальнейшем авторы планируют создавать новые и более сложные гигантские молекулы.