Бензол: ученые разгадывают одну из фундаментальных загадок химии

Одна из фундаментальных загадок химии была решена благодаря сотрудничеству между Exciton Science, UNSW и CSIRO — и результат может иметь значение для будущих конструкций солнечных элементов, органических светодиодов и других технологий следующего поколения.

С 1930-х годов в химических кругах разгорелись споры о фундаментальной электронной структуре бензола. Эта дискуссия в последние годы приобрела особую актуальность, потому что бензол, который состоит из шести атомов углерода в сочетании с шестью атомами водорода, является фундаментальным строительным материалом для многих оптоэлектронных материалов.

Плоское шестиугольное кольцо также является компонентом ДНК , белков, дерева и нефти. Спор вокруг структуры молекулы возникает потому, что, хотя в ней мало атомных компонентов, электроны существуют в состоянии, состоящем не из четырех измерений — как наш повседневный «большой» мир — а из 126.

Анализ такой сложной системы до сих пор оказался невозможным, а это означает, что точное поведение бензольных электронов не может быть обнаружено. И это представляло проблему, потому что без этой информации стабильность молекулы в технических приложениях никогда не могла бы быть полностью понята.

Однако теперь ученым во главе с Тимоти Шмидтом из Центра передовых технологий ARC в области науки об экситонах и UNSW в Сиднее удалось раскрыть тайну — и результаты оказались неожиданными.

Профессор Шмидт вместе с коллегами из UNSW и CSIRO Data61 применил сложный метод на основе алгоритма, называемый динамической выборкой к молекулам бензола, чтобы отобразить волновые функции во всех 126 измерениях.

Ключом к решению сложной проблемы был новый математический алгоритм, разработанный соавтором доктором Филом Килби из Data61 CSIRO. Алгоритм позволяет ученому разделить размерное пространство на эквивалентные «плитки», каждая из которых соответствует перестановке позиций электронов.

«То, что мы нашли, было очень удивительно», — сказал профессор Шмидт. «Электроны с так называемой двойной спиновой связью, электроны с одинарной обратной связью, и наоборот. Это не то, как химики думают о бензоле. По сути, это уменьшает энергию молекулы, делая ее более стабильной, выводя электроны, которые отталкивают друг друга. Разработанный для этого химического контекста алгоритм можно также применять в самых разных областях, от составления списков сотрудников до программ обмена почками».

Особый интерес для ученых представляло понимание «вращения» электронов. У всех электронов есть вращение — это свойство, которое создает магнетизм среди других фундаментальных сил, но как они взаимодействуют друг с другом, лежит в основе широкого спектра технологий, от светодиодов до квантовых вычислений.

Источник

Метки: бензол