Молекулярный конструктор: ученые научились собирать молекулы из атомов, как из LEGO

Иногда для получения одной нужной молекулы химикам приходится "перебирать" множество столкновений и побочных реакций. Но теперь появляется вариант, где всё решают не случайность и статистика, а точное управление.

Фото: https://commons.wikimedia.org by WorldAI, https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

Геометрия молекул

Исследователи показали, что можно буквально свести два выбранных атома и заставить их связаться. Об этом сообщили учёные Гарвардского университета в статье в журнале Science.

Как собрали молекулу из двух выбранных атомов

В эксперименте команда использовала оптические микропинцеты — лазерные ловушки, способные удерживать отдельные микрочастицы в фокусе луча. Один пинцет захватил атом натрия, второй — атом цезия. Затем оба атома охладили до ультранизкой температуры: меньше чем на одну десятитысячную градуса выше абсолютного нуля.

Когда лазерные ловушки сблизили, так что их области перекрылись, атомы натрия и цезия смогли столкнуться. Чтобы "подтолкнуть" процесс образования связи, исследователи подключили третий лазер: направленный поток света передал системе энергию в нужном режиме, и из пары атомов сформировалась молекула цезий-натрий.

Почему это не просто красивая демонстрация

Главная ценность такого подхода — контроль. В обычной химии мы часто имеем дело с множеством частиц, где параллельно идут разные реакции, а нужный продукт приходится выделять. Здесь же исследователь начинает с конкретных атомов, задаёт условия столкновения и фактически наблюдает "рождение" молекулы в чистой, изолированной обстановке.

Такой уровень управления полезен для изучения фундаментальных атомных процессов: как возникают связи, как меняется энергия системы, как ведут себя молекулы без влияния "соседей". Отдельное направление — создание молекул с заданными квантовыми свойствами, которые потенциально подходят для задач квантовых технологий и работы с кубитами.

Где это может пригодиться на практике

Оптические пинцеты уже считаются удобным инструментом для лабораторий, работающих с ультрахолодными атомами и квантовыми системами. В контексте квантовых компьютеров и квантовой памяти особенно важно уметь готовить "одинаковые" объекты с повторяемыми характеристиками — и управляемая сборка молекул выглядит как шаг в эту сторону.

Сравнение: традиционная химическая реакция и сборка молекулы "атом к атому"

В классической реакции обычно смешивают реагенты и получают набор продуктов, после чего нужное соединение приходится отделять и очищать. В схеме с микропинцетами старт известен заранее: берутся конкретные атомы, задаётся температура, расстояние и режим воздействия лазером. Это не заменяет массовую химию, но открывает другой формат — точечный, исследовательский, с максимальной наблюдаемостью процесса.

Плюсы и минусы метода с оптическими микропинцетами

У подхода есть сильные стороны, но и ограничения тоже очевидны. Он хорошо работает там, где важнее понимание механики процесса, чем количество продукта.

Плюсы: точный выбор атомов; высокая повторяемость условий; возможность наблюдать молекулу в изоляции; потенциальная настройка квантовых свойств под задачи квантовых вычислений и хранения данных.

Минусы: сложная экспериментальная инфраструктура (лазеры, вакуум, охлаждение); низкая производительность по сравнению с "обычной" химией; высокая чувствительность к внешним воздействиям и настройкам.