Benzen în 126 dimensiuni

Oamenii de știință australieni au descris recent o moleculă chimică care le-a fascinat de mult. Se crede că rezultatul cercetării va avea un impact asupra noilor modele de celule solare, diode emițătoare de lumină organice și alte tehnologii de generație următoare în care, se pare, benzenul poate fi utilizat.

Benzenul este un compus chimic organic. Este cea mai simplă hidrocarbură aromatică carbociclică, neutră. Face parte din ADN, proteine, lemn și ulei. Problema construcției benzenului a fost de interes pentru chimiști de când a fost distrus acest compus. În 1865 chimistul german Friedrich August Kekulé a emis ipoteza că benzenul este un ciclohexatrien cu un inel hexagonal în care legături simple și duble alternează între atomii de carbon.

Sursa imaginii: Pixabay

În anii 1930, în cercurile chimice s-a dezbătut structura moleculei de benzen. Această dezbatere s-a intensificat în ultimii ani, deoarece benzenul, care este alcătuit din șase atomi de carbon combinați cu șase atomi de hidrogen, este cea mai mică moleculă cunoscută care poate fi utilizată la fabricarea materialelor optoelectronice, o zonă pionieră a tehnologiei.
Controversa asupra structurii unei molecule apare deoarece, deși are puțini constituenți atomici, există într-o stare care nu este descrisă matematic de cele trei sau chiar patru dimensiuni (inclusiv timpul) pe care le cunoaștem din experiența noastră, ci până la 126 dimensiuni. De unde a venit acest număr? Fiecare dintre cei 42 de electroni dintr-o particulă este descris în trei dimensiuni, iar dacă le înmulțiți cu numărul de particule obțineți 126. Deci acestea nu sunt dimensiuni reale, ci matematice. Măsurarea acestui sistem complex și foarte mic s-a dovedit până acum imposibilă, astfel încât comportamentul exact al electronilor din benzen nu a fost cunoscut. Și aceasta a fost o problemă, deoarece fără aceste informații nu va fi niciodată posibil să se descrie pe deplin durabilitatea moleculei în aplicații tehnice.
Acum, însă, oamenii de știință care lucrează cu Timothy Schmidt de la Centrul de Excelență ARC în Exciton Science și Universitatea din New South Wales din Sydney sub îndrumarea lui Timothy Schmidt au reușit să rezolve acest mister. Împreună cu colegii de la UNSW și CSIRO Data61, el a aplicat o metodă complexă, bazată pe algoritmi, numită Voronoi Metropolis Dynamic Sampling (DVMS), la moleculele de benzen pentru a-și mapa funcțiile formei de undă în toate cele 126 de dimensiuni. Acest algoritm permite împărțirea spațiului dimensional în „dale”, fiecare corespunzând permutărilor pozițiilor electronilor. Rezultatele acestor studii au fost publicate în revista „Nature Communications”. Înțelegerea spinului de electroni a fost de un interes deosebit pentru oamenii de știință. „Ceea ce am descoperit a fost foarte surprinzător”, notează profesorul Schmidt în publicație. „Electronii din legătura dublă a carbonului cu rotirea în sus combinată în configurații tridimensionale cu mai puțină energie. Acest lucru reduce semnificativ energia moleculei și face molecula mai stabilă datorită respingerii și sustragerii electronilor. Stabilitatea particulelor, la rândul ei , este o caracteristică de dorit în aplicațiile tehnice.