Skoraj 200 let po tem, ko je molekulo odkril Michael Faraday, so raziskovalci končno odkrili zapleteno elektronsko strukturo benzena.
To ne odpravlja le polemike, ki je divjala že od tridesetih let prejšnjega stoletja, ampak ima tudi pomembne posledice za prihodnji razvoj optoelektronskih materialov, od katerih mnogi temeljijo na benzenu.
Atomska struktura benzena je dokaj dobro razumljena. To je obroč, sestavljen iz šestih atomov ogljika in šestih atomov vodika, po en za vsak atom ogljika.
To postane izjemno težko, če upoštevamo 42 elektronov molekule.
“Matematična funkcija, ki opisuje elektrone benzena, je 126-dimenzionalna,” je povedal kemik Timothy Schmidt iz Centra odličnosti ARC v znanosti Exciton Science in UNSW v Avstraliji.
'To pomeni, da gre za funkcijo 126 koordinat, tri za vsakega od 42 elektronov. Elektroni niso neodvisni, zato tega ne moremo razdeliti na 42 neodvisnih 3D funkcij.
Strojno izračunanega odgovora človek ni enostavno razlagati in morali smo si izmisliti način, kako do njega odgovoriti. '
To pomeni, da mora matematični opis elektronske strukture benzena upoštevati 126 meritev. Kot si lahko predstavljate, to ni lahko narediti. Pravzaprav je zaradi te zapletenosti odkrivanje strukture tako dolgo ostalo problem, da je prišlo do polemike o tem, kako se benzenski elektroni obnašajo.
Obstajata dve miselni šoli: benzen sledi teoriji valentnih vezi z lokaliziranimi elektroni; ali molekularno orbitalno teorijo z delokaliziranimi elektroni. Težava je v tem, da se zdi, da nobeden od njih nima prav.
“Razlaga elektronske strukture z vidika orbital ignorira, da je valovna funkcija antisimetrična pri izmenjavi istih vrtljajev,” so v svojem prispevku zapisali raziskovalci. “Poleg tega molekularne orbitale ne zagotavljajo intuitivnega opisa elektronske korelacije.”
Delo ekipe je temeljilo na tehniki, ki so jo nedavno razvili. Imenuje se dinamično vzorčenje Voronoi Metropolis in uporablja algoritemski pristop za vizualizacijo valovnih funkcij večelektronskega sistema.
To deli elektronske dimenzije na posamezne ploščice v Voronoijevem diagramu, kjer vsaka od ploščic ustreza elektronskim koordinatam, kar ekipi omogoča prikaz valovne funkcije vseh 126 dimenzij.
Prerez molekule. (Liu et al. Nature Communications, 2020)
In ugotovili so nekaj čudnega.
“Elektroni s tako imenovanimi dvojnimi vezmi s povečanjem hitrosti vrtenja, kjer elektroni z enojnimi vezmi z zmanjšanjem hitrosti vrtenja in obratno,” je dejal Schmidt. “Kemiki o benzenu ne razmišljajo tako.”
Posledično se elektroni izogibajo drug drugemu, kadar so koristni, kar zmanjša energijo molekule in jo naredi stabilnejšo.
“V bistvu združuje kemijsko razmišljanje in pokaže, kako se prevladujoči paradigmi, s katero opisujemo benzen, združita,” je dejal.
“Pokazali pa vam bomo tudi, kako preizkusiti tako imenovano elektronsko korelacijo – kako se elektroni izogibajo drug drugemu. To se skoraj vedno kvalitativno prezre in uporablja samo za izračune, pri katerih se uporablja samo energija, ne pa tudi elektronsko vedenje. '
Raziskava je bila objavljena v Nature Communications.
