Takmer 200 rokov potom, čo molekulu objavil Michael Faraday, vedci konečne objavili zložitú elektronickú štruktúru benzénu.
Vyrieši sa tým nielen kontroverzia, ktorá zúri už od 30. rokov 20. storočia, ale má to aj významné dôsledky pre budúci vývoj optoelektronických materiálov, z ktorých mnohé sú založené na benzéne.
Atómová štruktúra benzénu je celkom dobre známa. Je to kruh tvorený šiestimi atómami uhlíka a šiestimi atómami vodíka, jeden pre každý atóm uhlíka.
Toto sa stáva nesmierne zložitým, keď vezmeme do úvahy 42 elektrónov molekuly.
„Matematická funkcia popisujúca elektróny benzénu je 126-rozmerná,“ uviedol chemik Timothy Schmidt z ARC Center of Excellence in Exciton Science a UNSW v Austrálii.
To znamená, že je to funkcia 126 súradníc, tri pre každý zo 42 elektrónov. Elektróny nie sú nezávislé, takže to nemôžeme rozdeliť na 42 nezávislých 3D funkcií.
Odpoveď stroja nie je ľahká pre ľudí, a preto sme museli vymyslieť spôsob, ako túto odpoveď získať. “
To znamená, že matematický popis elektronickej štruktúry benzénu musí brať do úvahy 126 meraní. Ako si dokážete predstaviť, nie je to jednoduchá vec. V skutočnosti kvôli tejto zložitosti odhaľovanie štruktúry zostávalo problémom tak dlho, že to viedlo k polemikám o tom, ako sa správajú benzénové elektróny.
Existujú dva myšlienkové smery: benzén sa riadi teóriou valenčných väzieb s lokalizovanými elektrónmi; alebo molekulárna orbitálna teória s delokalizovanými elektrónmi. Problém je, že ani jeden z nich nemá celkom pravdu.
„Interpretácia elektronovej štruktúry z hľadiska orbitálov ignoruje, že vlnová funkcia je pri výmene rovnakých otočení antisymetrická,“ uviedli vedci vo svojom príspevku. „Navyše molekulárne orbitaly neposkytujú intuitívny popis elektrónovej korelácie.“
Práca tímu bola založená na technike, ktorú nedávno vyvinuli. Nazýva sa to dynamické vzorkovanie metropoly Voronoi a využíva algoritmický prístup na vizualizáciu vlnových funkcií multi-elektrónového systému.
Toto rozdelí elektronické dimenzie na jednotlivé dlaždice vo Voronoiovom diagrame, kde každá z dlaždíc zodpovedá elektronickej súradnici, čo umožňuje tímu zobraziť vlnovú funkciu všetkých 126 dimenzií.
Prierez molekulou. (Liu a kol. Nature Communications, 2020)
A našli niečo zvláštne.
„Elektróny s takzvanými dvojitými väzbami so zvýšením rýchlosti otáčania, kde elektróny s jednoduchými väzbami so znížením rýchlosti otáčania a naopak,“ uviedol Schmidt. „Takto chemici nemyslia na benzén.“
Výsledkom je, že elektróny sa navzájom vyhýbajú, keď je to prospešné, čo znižuje energiu molekuly a robí ju stabilnejšou.
“V zásade spája chemické myslenie a ukazuje, ako sa spájajú dve prevládajúce paradigmy, ktoré používame na opis benzénu,” uviedol.
„Ale ukážeme vám aj to, ako otestovať takzvanú elektrónovú koreláciu – ako sa elektróny navzájom vyhýbajú. Toto je takmer vždy kvalitatívne ignorované a používa sa iba na výpočty, pri ktorých sa používa iba energia, nie elektronické správanie. ““
Výskum bol publikovaný v časopise Nature Communications.
