Benzen w 126 wymiarach

Australijscy naukowcy opisali niedawno cząsteczkę chemiczną, która od dawna ich fascynowała. Uważa się, że wyniki badań będą miały wpływ na nowe konstrukcje ogniw słonecznych, organicznych diod elektroluminescencyjnych i inne technologie nowej generacji, w których, jak się okazuje, można zastosować benzen.

Benzen to organiczny związek chemiczny. Jest to najprostszy karbocykliczny, obojętny węglowodór aromatyczny. Jest częścią DNA, białek, drewna i oleju. Problem budowy benzenu był przedmiotem zainteresowania chemików od czasu zerwania tego związku. W 1865 roku niemiecki chemik Friedrich August Kekulé postawił hipotezę, że benzen jest cykloheksatrienem z sześciokątnym pierścieniem, w którym występują naprzemiennie pojedyncze i podwójne wiązania między atomami węgla.

Źródło obrazu: Pixabay

W kręgach chemicznych od lat trzydziestych toczy się debata na temat struktury cząsteczki benzenu. Debata ta nasiliła się w ostatnich latach, ponieważ benzen, który składa się z sześciu atomów węgla połączonych z sześcioma atomami wodoru, jest najmniejszą znaną cząsteczką, którą można wykorzystać do produkcji materiałów optoelektronicznych, co jest pionierską dziedziną technologii.
Kontrowersje wokół struktury cząsteczki powstają, ponieważ chociaż ma ona niewiele składników atomowych, istnieje ona w stanie, który nie jest matematycznie opisywany przez trzy lub nawet cztery wymiary (w tym czas), które znamy z naszego doświadczenia, ale aż do 126 wymiarów. Skąd się wziął ten numer? Każdy z 42 elektronów w cząstce jest opisany w trzech wymiarach i jeśli pomnożymy je przez liczbę cząstek, otrzymamy 126. A więc to nie są rzeczywiste, ale wymiary matematyczne. Pomiar tego złożonego i bardzo małego układu okazał się do tej pory niemożliwy, więc dokładne zachowanie elektronów w benzenie nie było znane. A to był problem, ponieważ bez tych informacji nigdy nie będzie możliwe pełne opisanie trwałości cząsteczki w zastosowaniach technicznych.
Teraz jednak naukowcom pracującym z Timothym Schmidtem z ARC Centre of Excellence in Exciton Science i University of New South Wales w Sydney pod kierownictwem Timothy'ego Schmidta udało się rozwiązać tę zagadkę. Wraz z kolegami z UNSW i CSIRO Data61 zastosował złożoną, opartą na algorytmach metodę zwaną Voronoi Metropolis Dynamic Sampling (DVMS) do cząsteczek benzenu, aby zmapować ich funkcje falowe we wszystkich 126 wymiarach. Algorytm ten umożliwia podział przestrzeni wymiarowej na „kafelki”, z których każda odpowiada permutacjom pozycji elektronów. Wyniki tych badań zostały opublikowane w czasopiśmie „Nature Communications”. Szczególne zainteresowanie naukowców wzbudziło zrozumienie spinu elektronów. „To, co odkryliśmy, było bardzo zaskakujące” - zauważa profesor Schmidt w publikacji. „Elektrony w podwójnym wiązaniu węgla połączone ze spinem do góry w trójwymiarowych konfiguracjach z mniejszą energią. To znacznie zmniejsza energię cząsteczki i sprawia, że ​​cząsteczka jest bardziej stabilna dzięki odpychaniu i unikaniu elektronów. Stabilność cząstek z kolei , jest pożądaną funkcją w aplikacjach technicznych.