拓扑学在物理研究中有哪些具体应用？ 第1页

我来跑个题，扯点拓扑学在化学中的一些有趣的应用，分子拓扑学（wiki:

）。

搞化学的人总是喜欢弄点看起来牛（qi）逼（pa）的东西，动不动就想搞个大新闻。最近二三十年来，有那么一群大（dou）牛（bi）搞出了以下这些东西。

先找个看起来高大上的网站大家感受下：

（里面有可以自行转动的3D模型，推荐大家把玩把玩）

搞分子拓扑学这帮人主要用各种有机反应合成具有奇怪拓扑结构的分子。比如下面这样的：

是不是看起来不（sang）明（xin）觉（bing）厉（kuang）

第一个圆圈就不说了，太普通。。。

第二个叫Trefoil Knot, 前年剑桥的校长做出来发了篇Science

长这样:

不过这并不是Trefoil knot第一次被报道，10年前就被该领域的奠基人之一的法国大牛Jean-Pierre Sauvage 做出来了：

长这样：

Trefoil knot因为不能和自己的镜像重合，所以具有手性，校长同学说我能几乎定量只得到其中一种对映异构体，所以搞了个大新闻。

像Trifoil knot这样能从某个点出发朝一个方向遍历一周回到起点的都叫做Molecular knot，是Molecular topology中的一大分支，现在做molecular knot的人里头最丧心病狂的算是

, 他算是我师兄，从我老板手下比我早毕业差不多三十年。

来看看他做了些啥：

放错了，应该是这个：

还在Nature Chemsitry上搞了个逼格甚高的封面

文章链接：

高大上的晶体结构动画展示：

上次开会的时候看见他把上面那个8-19的丧心病狂的Knot做出来了，文章还没发出来，等发出来了来更这一条。看这样子是要把knot表里的全搞一遍的节奏。

除了Knot，还有一些从一点回到起点没有遍历所有地方的结构，比如两个圆圈扣在一起这样的叫做

，比如下面这个是我老板（

）1989年做出来的：

文章链接：

同样是两个环，如果是一种比Catenane更激情的状态抱在一起的，叫做

，大概长这样(我老板2006年做出来的)：

文章链接:

神马，你还觉得不够激情，好吧，还有。。如果两个环各交叠三次，形成的结构叫David Catenane. 长这样：

文章链接：

（师兄你这样灌Nature Chem真的好吗）

动画：

这种激情如果衍生到三个环，那简直就不忍直视了，竟然也被做出来了（如下图，2004年Science). 这大约是我老板一生感情最复杂的分子了, 这是一个极富美感的分子，老板毫不掩饰对它的喜爱，办公室里有各种以此结构为基础的小型雕塑和油画作品；他一生的伙伴和爱人大约是在这篇文章发表的时候因病去世的。

文章链接：

再来个彩蛋吧，1994年我们还做过这货。。。

文章链接:

(当时我老板还在英国，作者是按字母顺序排的，看看这两个姓A的多么胶着。。）

(时隔四年长出了单晶，即使放在今天来看也令人叹为观止）

最后你问我这些分子做出来有什么用，呵呵，满足了我们这些科（dou）学（bi）家的好奇心算不算o(*￣▽￣*)o

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上日报了，为了避免大家都觉得我们是真逗比，还是为自己说几句话吧。

很多同学好奇看起来酷炫的分子有没有实际用途，老实说，大多数都没有，小部分（例如双稳态的catenane有潜在分子电子学的应用，可做分子开关，分子存储器，分子逻辑门等，见ref 4-6).

既然大多数都没用，那我们为什么还要花着纳税人的钱去做这些华而不实的东西呢？科学研究并不是一个能立竿见影，一口吃成个胖子的事，大多数时候都收效很慢。合成这些分子的过程中，很多的知识和技术得到了发展，比如精确分子结构设计在这些工作中都是至关重要的，这扩展了我们对有机分子识别的认识（配位作用，pi-pi作用，疏溶剂效应等）。另外，这些巧妙的合成的方法也可以推而广之到设计一些其他的有用途的分子中去。

参考文献:

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4.

5.

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