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原子链仅扭转90 度，科学家首创造出「半莫比乌斯」分子

原子链仅扭转90 度，科学家首创造出「半莫比乌斯」分子
【卡城华人网 www.calgarychina.ca】 2026-03-24 10:29

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【卡城华人网】原子链仅扭转90 度，科学家首创造出「半莫比乌斯」分子

一个国际科学团队首次合成具前所未见扭曲特性的新颖「半莫比乌斯」分子，疯狂之处在于构成分子环的原子链仅扭转90 度，而非完整180 度，导致电子以螺旋式路径穿梭结构，从根本改变化学行为。这分子到底有多神奇？

什么是半莫比乌斯（Half-Mӧbius），让我们先用一张长纸条进行想像实验。

当你将纸条两端黏起来，会得到一个拥有正面（外侧）与背面（内侧）的普通圆环，一只蚂蚁如果走在内侧，不跨过边缘就走不到外侧。

当你捏着纸条一端扭转180 度（翻半圈），再把两端黏起来，便会得到「只有一个面」和「只有一条边」的神奇莫比乌斯环，如果你拿笔从表面任一点开始往前画线，最后这条线会接回起点且纸条「正反两面」都画到，但笔从未离开过表面；或者说，一只蚂蚁如果在纸面不停往前走，能毫无阻碍地走遍纸条所有地方。

在数学（拓扑学）上，莫比乌斯环代表一种打破常规的空间结构。

在化学领域，莫比乌斯环牵扯到「芳香性」（Aromaticity）概念。芳香性是一种化学性质，可以把它想像成分子界的超稳定防护罩，传统规则指出平面环状分子若拥有特定电子数量（4n+2，如6、10、14）便能开启防护罩，分子稳定，电子也跑得非常顺畅；若电子数量不对（4n，如4、8、12），分子则会超级不稳。

当分子骨架被扭成莫比乌斯环，电子依然能跑出另一种顺畅状态（莫比乌斯芳香性），但电子轨道被扭曲180 度的连接处出现剧情反转，防护罩规则完全反过来导致分子特性与行为完全相反，原本不稳定的电子数量（4n）变得超稳定，而原本稳定的电子数量（4n+2）变不稳定。

2003 年，德国基尔大学Rainer Herges 团队合成第一个「莫比乌斯」分子。

疯狂的半莫比乌斯环

传统认为电子共轭环只有上面2 种选择，直到近日，来自IBM Research、曼彻斯特大学、牛津大学、苏黎世联邦理工学院、洛桑联邦理工学院（EPFL）、雷根斯堡大学的国际科学团队发现第3 种选择，首度合成包含13 个碳原子的半莫比乌斯（Half-Möbius）分子（分子式：C₁₃Cl₂），成功「强迫」构成分子环的原子链只扭转90 度，震惊整个化学界。

详细来说，半莫比乌斯环的两端各有1 个碳原子与1 个氯原子结合，剩下11 个碳原子直接与相邻碳原子连接，每个碳原子都有2 个电子，其轨道呈杠铃状，垂直于环向外突出。

这些杠铃状结构与邻居形成额外键（共轭结构），在这种结构中，电子被链中许多原子共享，各种类型的共轭结构进一步产生苯等芳烃分子、石墨烯等二维材料的特殊性质。

此外，2 个杠铃状轨道交叉形成一个「+」形状，代表它们可以在连接前扭转90 度，形成具有新几何特性的形状或拓扑结构分子。

▲ 左图为半莫比乌斯分子电子轨道密度的扫描穿隧显微镜影像；右图为分子轨道密度的模拟STM 影像。

论文作者、英国曼彻斯特大学化学家Igor Roncevic 解释，「90 度很有趣，它既可以向左扭转，也可以向右扭转。」在半莫比乌斯态中，扭转能使原子共享电子，即每个轨道都填充偶数个电子，导致该分子比未扭转分子更稳定。

实验也表明，分子可以转换到能量更高的未扭转状态，再放松回到可能的左旋或右旋状态，统化学方法很难实现此现象。

半莫比乌斯分子不是半调子，而是有望成为完美的「分子开关」，带来颠覆性科学工具，比如以量子为中心的超级运算架构。

新论文发表在《科学》（Science）期刊。

来源：科技新报

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