PROŠLI tjedan brojni su svjetski i hrvatski mediji prenijeli vijest o tome kako je međunarodni tim pod vodstvom hrvatskog kemičara Igora Rončevića stvorio molekulu koja se do tada nije smatrala mogućom.

Rončević i njegovi kolege stvorili su neobično polu-Möbiusovu molekulu C₁₃Cl₂ tako što su na podlogu od soli (NaCl) postavili njezin prekursorski spoj (C₁₃Cl₁₀) i pomoću tunelirajućeg mikroskopa, atomskom preciznošću, uklanjali jedan po jedan osam atoma klora, čime su izazvali strukturno uvijanje molekule.

Vijest smo, naravno, objavili i na Indexu. No odlučili smo Rončevića, koji živi i radi u Velikoj Britaniji, zamoliti da nam kroz intervju pojasni neobičnu molekulu te moguće primjene zanimljivog otkrića.

Možete li jednostavnim riječima objasniti zašto je molekula koju ste stvorili tako posebna?

Tehnologija napreduje kako učimo nove načine manipuliranja materijalima. U 19. i 20. stoljeću otkrili smo kako sintetizirati mnoge molekule i polimere, što nam je omogućilo masovnu proizvodnju lijekova i umjetnih materijala. Krajem prošlog stoljeća otkrili smo da svojstva materijala, na primjer vodljivost, možemo kontrolirati putem spina elektrona (ilustracija dolje). To otkriće je kasnije omogućilo razvoj tehnologija kao što su tvrdi diskovi i računalna memorija, za što je i dodijeljena Nobelova nagrada za fiziku 2007.

Danas, fundamentalna istraživanja i dalje traže nove načine kojima možemo manipulirati materijalima. Mi smo u ovom radu prvi put pokazali da možemo mijenjati topologiju molekule (vidi sliku 1 dolje), što nam daje novi način za kontrolu svojstva materijala.

Osim toga, molekula koju smo napravili je prvi slučaj polu-Möbiusove topologije, što je potpuno neočekivano - nitko prije nas nije ni slutio da bi takva molekula uopće mogla postojati.

Što znači da je ta molekula polu-Moebiusova i kako se očituje to svojstvo?

U većini "običnih" molekula elektroni su lokalizirani, na primjer u vezama ili na atomima. S druge strane, u metalima su elektroni slobodni - zbog toga metali vode struju. Molekula koju smo mi napravili je konjugirana, što znači da je između "običnih" molekula i metala. U konjugiranim molekulama elektroni su delokalizirani, ali nisu potpuno slobodni, nego se mogu kretati u prostoru definiranom njihovim orbitalnim skupom. Da napravimo analogiju, elektroni u metalima su kao avioni (idu u svim smjerovima), u konjugiranim molekulama su kao auti (idu gdje ima ceste), dok su u "običnim" molekulama kao gondole na žičari (idu samo između A i B).

Orbitalni skupovi (ceste) su uglavnom topološki trivijalne - ako obiđemo jedan krug, vratimo se na početak (slika 1A dolje). Heilbronner je 1964 sugerirao da bi orbitalni skup mogao imati i Möbiusovu topologiju, u kojoj moramo obići dva kruga da se vratimo na početak (slika 1B): ako krenemo "gore" (crveno), nakon jednog kruga završimo "dolje" (zeleno), i nakon dva kruga se vratimo "gore". Prvu Möbiusovu molekulu čekali smo gotovo 40 godina, no isplatilo se kad je Herges (Nature, 2003) pokazao da molekule s Möbiusovom topologijom zbilja imaju drugačija svojstva od topološki trivijalnih.

U našoj, polu-Möbiusovoj molekuli orbitalni skup je takav da trebamo obići četiri kruga da se vratimo na početak (slika 1C,D). To je zanimljivo jer topologija dobiva smjer - ako krenemo "gore" (crveno), nakon jednog kruga možemo završiti "lijevo" (žuto) ili "desno" (plavo). U našem radu mi smo pokazali da možemo mijenjati polu-Möbiusovu topologiju iz "lijeve" u "desnu" i obratno, pa čak i da možemo postići trivijalnu topologiju!

Rečeno je da ta molekula za sada nema očitu primjenu. Zašto je ipak važno Vaše otkriće i kakvu bi primjenu moglo imati u budućnosti?

Trenutno znanstvenici i u akademiji i u industriji intenzivno istražuju tzv. kvantne tehnologije: UN je 2025. proglasio "Godinom kvantne znanosti i tehnologije", a Nobelova nagrada iz fizike iste je godine dodijeljena za demonstraciju kvantnih efekata na makroskopskoj skali. Rapidni razvoj računala na kojima se zasniva moderni svijet se dugo godina bazirao na ideji da elektroničke komponente možemo praviti sve manjima. Međutim, kada dođemo na razinu nekoliko desetaka ili stotina atoma, nepoželjni kvantni efekti počnu dominirati, što sprječava daljnji napredak. Kvantne tehnologije okreću tu ideju naopačke - one žele iskoristiti kvantne efekte, umjesto da budu ograničene njima.

U konjugiranim sustavima kao što je naša molekula elektroni se ponašaju kao valovi, što znači da se mogu zbrajati (brijeg + brijeg, odnosno konstruktivna interferencija kojom se amplituda vala povećava) ili oduzimati (brijeg + dol, odnosno destruktivna interferencija). Möbiusove molekule zanimljive su jer pokazuju različite interferencijske efekte od topološki trivijalnih molekula, te bi mogle naći primjenu u jedno-molekularnim elektroničkim sklopovima. Mi još ne znamo kakve bi interferencijske efekte mogla pokazivati naša polu-Möbiusova molekula, ali iz perspektive primjene je zanimljivo da mi topologiju možemo mijenjati, što je korak prema kontroli.

Također, naša molekula, ali i njena topologija, je kiralna, što znači da ima orijentaciju kao lijeva ili desna ruka. Slični sustavi već se dugo istražuju za selektiranje elektrona prema njihovom spinu, što je baza mnogih kvantnih tehnologija koje su već prešle iz domene akademije u industriju.

Zašto bi u ovakvim otkrićima važnu ulogu mogla imati kvantna računala?

Elektroni su kvantni objekti. Ako njihove interakcije pokušamo opisati vrlo točno klasičnim računalima, nalazimo da broj bitova (jedinica i nula), pa tako i količina računalne snage koja nam je potrebna, raste eksponencijalno s brojem elektrona. Na primjer, prije desetak godina klasična superračunala mogla su opisati interakcije između 18 elektrona, a danas možemo doći do 20. Nije baš impresivan napredak, zar ne?

No, s druge strane, kvantna računala koriste kvantne objekte, qubite, da opišu elektrone, koji su također kvantni objekti. Prema tome, kvantna računala su prirodan izbor za opis molekula - trebaju nam oko 2 qubita za svaki elektron. Uz to, kvantna računala se rapidno razvijaju: mi smo prije tri godine imali rad gdje smo opisali 6 elektrona, a danas smo za opis naše polu-Möbiusove molekule uspjeli doći do 32 elektrona. Prema tome, kvantna računala će uskoro vrlo vjerojatno postati nezaobilazna u predviđanju svojstava molekula i materijala, što je ogromno područje koje obuhvaća ne samo akademiju već i farmaceutsku, automobilsku, energetsku, i vojnu industriju.

Živite i radite u Velikoj Britaniji, no ipak održavate veze s Hrvatskom. Zašto se često događa da naši znanstvenici moraju otići van da bi ostvarili ozbiljnu znanstvenu karijeru?

Hrvatska je jako mala država, a znanost je međunarodna djelatnost, pa nije neobično da je velik broj hrvatskih znanstvenika vani.

Vrhunska svjetska sveučilišta od svojih znanstvenika traže više, ali im i daju više. Od svakog se akademika očekuje da razvije svoj vlastiti istraživački program, no za to im se daju i resursi, od laboratorija do ljudstva. To je jako motivirajuće - sveučilište ti da odličnu startnu poziciju, a na tebi je da od nje napraviš najbolje što možeš.

Drugi razlog je mogućnost suradnje s vodećim svjetskim istraživačima: na ovom radu sam surađivao s Oxfordom, Regensburgom (Njemačka), ETH-om (Švicarska), i IBM-om kao industrijskim partnerom. Moji studenti sljedeći tjedan odlaze u IBM u Zürich na dvotjednu edukaciju o najnovijim kvantnim računalima, što financira Velika Britanija kroz svoj program razvoja kvantnih tehnologija.

Kakve kontakte održavate s našom akademskom zajednicom i znanošću?

Često dolazim u Hrvatsku i rado posjećujem svoje bivše kolege sa zagrebačkog PMF-a, a s nekima i surađujem. Također, zagrebački studenti su izvrsni i uvijek iskoristim priliku da razgovaram s njima - evo jedan je kod mene u Manchesteru na doktoratu.