原子鏈僅扭轉 90 度，科學家首創造出「半莫比烏斯」分子
一個國際科學團隊首次合成具前所未見扭曲特性的新穎「半莫比烏斯」分子，瘋狂之處在於構成分子環的原子鏈僅扭轉 90 度，而非完整 180 度，導致電子以螺旋式路徑穿梭結構，從根本改變化學行為。這分子到底有多神奇？
什麼是半莫比烏斯（Half-Mӧbius），讓我們先用一張長紙條進行想像實驗。
當你將紙條兩端黏起來，會得到一個擁有正面（外側）與背面（內側）的普通圓環，一隻螞蟻如果走在內側，不跨過邊緣就走不到外側。
當你捏著紙條一端扭轉 180 度（翻半圈），再把兩端黏起來，便會得到「只有一個面」和「只有一條邊」的神奇莫比烏斯環，如果你拿筆從表面任一點開始往前畫線，最後這條線會接回起點且紙條「正反兩面」都畫到，但筆從未離開過表面；或者說，一隻螞蟻如果在紙面不停往前走，能毫無阻礙地走遍紙條所有地方。
在數學（拓撲學）上，莫比烏斯環代表一種打破常規的空間結構。
在化學領域，莫比烏斯環牽扯到「芳香性」（Aromaticity）概念。芳香性是一種化學性質，可以把它想像成分子界的超穩定防護罩，傳統規則指出平面環狀分子若擁有特定電子數量（4n+2，如 6、10、14）便能開啟防護罩，分子穩定，電子也跑得非常順暢；若電子數量不對（4n，如 4、8、12），分子則會超級不穩。
當分子骨架被扭成莫比烏斯環，電子依然能跑出另一種順暢狀態（莫比烏斯芳香性），但電子軌道被扭曲 180 度的連接處出現劇情反轉，防護罩規則完全反過來導致分子特性與行為完全相反，原本不穩定的電子數量（4n）變得超穩定，而原本穩定的電子數量（4n+2）變不穩定。
2003 年，德國基爾大學 Rainer Herges 團隊合成第一個「莫比烏斯」分子。
瘋狂的半莫比烏斯環
傳統認為電子共軛環只有上面 2 種選擇，直到近日，來自 IBM Research、曼徹斯特大學、牛津大學、蘇黎世聯邦理工學院、洛桑聯邦理工學院（EPFL）、雷根斯堡大學的國際科學團隊發現第 3 種選擇，首度合成包含 13 個碳原子的半莫比烏斯（Half-Möbius）分子（分子式：C₁₃Cl₂），成功「強迫」構成分子環的原子鏈只扭轉 90 度，震驚整個化學界。
詳細來說，半莫比烏斯環的兩端各有 1 個碳原子與 1 個氯原子結合，剩下 11 個碳原子直接與相鄰碳原子連接，每個碳原子都有 2 個電子，其軌道呈槓鈴狀，垂直於環向外突出。
這些槓鈴狀結構與鄰居形成額外鍵（共軛結構），在這種結構中，電子被鏈中許多原子共享，各種類型的共軛結構進一步產生苯等芳烴分子、石墨烯等二維材料的特殊性質。
此外，2 個槓鈴狀軌道交叉形成一個「+」形狀，代表它們可以在連接前扭轉 90 度，形成具有新幾何特性的形狀或拓撲結構分子。
▲ 左圖為半莫比烏斯分子電子軌道密度的掃描穿隧顯微鏡影像；右圖為分子軌道密度的模擬 STM 影像。
論文作者、英國曼徹斯特大學化學家 Igor Roncevic 解釋，「90 度很有趣，它既可以向左扭轉，也可以向右扭轉。」在半莫比烏斯態中，扭轉能使原子共享電子，即每個軌道都填充偶數個電子，導致該分子比未扭轉分子更穩定。
實驗也表明，分子可以轉換到能量更高的未扭轉狀態，再放鬆回到可能的左旋或右旋狀態，統化學方法很難實現此現象。
半莫比烏斯分子不是半調子，而是有望成為完美的「分子開關」，帶來顛覆性科學工具，比如以量子為中心的超級運算架構。
新論文發表在《科學》（Science）期刊。
（圖片來源：IBM）