Lähes 200 vuotta sen jälkeen, kun Michael Faraday löysi molekyylin, tutkijat ovat viimeinkin löytäneet bentseenin monimutkaisen elektronisen rakenteen.
Tämä ei vain ratkaise 1930-luvulta lähtien kiihtynyttä kiistaa, mutta sillä on myös merkittäviä vaikutuksia optoelektronisten materiaalien tulevaan kehitykseen, joista monet perustuvat bentseeniin.
Bentseenin atomirakenne ymmärretään melko hyvin. Se on rengas, joka koostuu kuudesta hiiliatomista ja kuudesta vetyatomista, yksi kutakin hiiliatomia kohden.
Tästä tulee erittäin vaikeaa, kun otetaan huomioon molekyylin 42 elektronia.
“Bentseenin elektroneja kuvaava matemaattinen toiminto on 126-ulotteinen”, sanoi kemisti Timothy Schmidt ARC: n Exciton Science Centerin huippuyksiköstä ja UNSW: stä Australiassa.
Tämä tarkoittaa, että se on 126 koordinaatin funktio, kolme kullekin 42 elektronista. Elektronit eivät ole riippumattomia, joten emme voi jakaa sitä 42 riippumattomaan 3D-toimintoon.
Koneella laskettua vastausta ei ole helppo tulkita ihmisen toimesta, ja meidän oli keksittävä tapa saada vastaus. '
Tämä tarkoittaa siis, että bentseenin elektronirakenteen matemaattisessa kuvauksessa on otettava huomioon 126 mittausta. Kuten voitte kuvitella, tämä ei ole helppo tehtävä. Itse asiassa tämän monimutkaisuuden takia rakenteen paljastaminen on pysynyt ongelmana niin kauan, mikä on johtanut kiistoihin bentseenielektronien käyttäytymisestä.
Ajattelutapoja on kaksi: bentseeni noudattaa teoriaa valenssisidoksista paikallisten elektronien kanssa; tai molekyyli-orbitaaliteoria delokalisoiduilla elektronilla. Ongelmana on, ettei yksikään heistä näytä olevan aivan oikeassa.
“Elektronisen rakenteen tulkitseminen kiertoradoilta jättää huomiotta, että aaltofunktio on antisymmetrinen vaihdettaessa samoja pyöriä”, tutkijat kirjoittivat paperissaan. “Lisäksi molekyyliradat eivät tarjoa intuitiivista kuvausta elektronien korrelaatiosta.”
Ryhmän työ perustui äskettäin kehittämään tekniikkaan. Sitä kutsutaan Voronoi Metropoliksen dynaamiseksi näytteenotoksi ja siinä käytetään algoritmista lähestymistapaa monielektronisen järjestelmän aaltofunktioiden visualisointiin.
Tämä jakaa elektroniset mitat yksittäisiksi ruuduiksi Voronoi-kaaviossa, jossa kukin ruutu vastaa elektronisia koordinaatteja, jolloin joukkue voi näyttää kaikkien 126 ulottuvuuden aaltotoiminnon.
Molekyylin poikkileikkaus. (Liu et ai. Nature Communications, 2020)
Ja he löysivät jotain outoa.
“Elektronit, joilla on ns. Kaksoissidoksia pyörimisnopeuden kasvaessa, joissa elektronit, joissa on yksittäisiä sidoksia, vähenevät pyörimisnopeudella, ja päinvastoin”, Schmidt sanoi. “Näin kemistit eivät ajattele bentseenistä.”
Tämän seurauksena elektronit välttävät toisiaan, kun se on hyödyllistä, mikä vähentää molekyylin energiaa ja tekee siitä vakaamman.
“Se tuo pohjimmiltaan kemiallisen ajattelun yhteen ja osoittaa, kuinka kaksi vallitsevaa paradigmaa, joita käytämme bentseenin kuvaamiseen, yhdistyvät”, hän sanoi.
Mutta näytämme myös, kuinka testata ns. Elektronikorrelaatiota – kuinka elektronit välttävät toisiaan. Tämä jätetään melkein aina laadullisesti huomiotta ja sitä käytetään vain laskelmissa, joissa käytetään vain energiaa, ei elektronista käyttäytymistä. '
Tutkimus julkaistiin Nature Communications -lehdessä.
