Gotovo 200 godina nakon što je molekul otkrio Michael Faraday, istraživači su konačno otkrili složenu elektroničku strukturu benzena.
Ovo ne samo da rješava kontroverzu koja je bjesnila od 1930-ih, već ima važne implikacije na budući razvoj optoelektronskih materijala, od kojih su mnogi zasnovani na benzenu.
Atomska struktura benzena prilično je dobro shvaćena. To je prsten koji se sastoji od šest atoma ugljenika i šest atoma vodonika, po jedan za svaki atom ugljenika.
To postaje izuzetno teško kada uzmemo u obzir 42 elektrona molekula.
“Matematička funkcija koja opisuje elektrone benzena je 126-dimenzionalna”, rekao je kemičar Timothy Schmidt iz ARC Centra izvrsnosti u nauci Exciton i UNSW u Australiji.
'To znači da je to funkcija 126 koordinata, tri za svaki od 42 elektrona. Elektroni nisu nezavisni, pa to ne možemo podijeliti na 42 nezavisne 3D funkcije.
Strojno izračunati odgovor čovjeku nije lako protumačiti i morali smo izmisliti način da dobijemo odgovor. '
Dakle, to znači da matematički opis elektroničke strukture benzena mora uzeti u obzir 126 mjerenja. Kao što možete zamisliti, ovo nije lako učiniti. U stvari, zbog ove složenosti otkrivanje strukture toliko dugo ostaje problem da je dovelo do kontroverze oko ponašanja benzenovih elektrona.
Postoje dvije škole mišljenja: benzen slijedi teoriju valentnih veza s lokaliziranim elektronima; ili teorija molekularne orbite sa delokalizovanim elektronima. Problem je u tome što se čini da nijedan od njih nije u pravu.
“Tumačenjem elektronske strukture u smislu orbitala zanemaruje se da je talasna funkcija antisimetrična kada se razmjenjuju isti spinovi”, napisali su istraživači u svom radu. “Štaviše, molekularne orbitale ne pružaju intuitivan opis korelacije elektrona.”
Rad tima temelji se na tehnici koju su nedavno razvili. Zove se dinamičko uzorkovanje metropole Voronoi i koristi algoritamski pristup za vizualizaciju talasnih funkcija višeelektronskog sistema.
Ovo dijeli elektroničke dimenzije na pojedinačne pločice u Voronoijevom dijagramu, gdje svaka od pločica odgovara elektroničkim koordinatama, omogućavajući timu da prikaže valnu funkciju svih 126 dimenzija.
Presjek molekula. (Liu i dr. Nature Communications, 2020)
I našli su nešto čudno.
“Elektroni s takozvanim dvostrukim vezama s povećanjem brzine rotacije, gdje su elektroni s jednostrukim vezama sa smanjenjem brzine rotacije, i obrnuto”, rekao je Schmidt. “Hemičari ne misle ovako na benzen.”
Kao rezultat toga, elektroni se međusobno izbjegavaju kada je to korisno, smanjujući energiju molekule i čineći je stabilnijom.
“To u osnovi spaja kemijsko razmišljanje, pokazujući kako se dvije prevladavajuće paradigme koje koristimo za opis benzena spajaju”, rekao je.
'Ali takođe vam pokazujemo kako da testirate ono što se naziva korelacija elektrona – kako se elektroni međusobno izbjegavaju. To se gotovo uvijek kvalitativno zanemaruje i koristi samo za proračune u kojima se koristi samo energija, a ne elektroničko ponašanje. '
Studija je objavljena u časopisu Nature Communications.
