Struktura elektronowa benzenu jest 126-wymiarowa
Prawie 200 lat po odkryciu cząsteczki przez Michaela Faradaya, naukowcy w końcu ujawnili złożoną strukturę elektronową benzenu. Nie tylko kończy ona szaloną debatę trwającą od lat 30. ubiegłego wieku, ale stanowi ważne implikacje dla przyszłego rozwoju materiałów optoelektronicznych.
Struktura atomowa benzenu jest dość dobrze poznana. Cząsteczka ma kształt pierścienia składającego się z sześciu atomów węgla i sześciu atomów wodoru, przyłączonych do każdego z atomów węgla. Sytuacja mocno się komplikuje, gdy weźmiemy pod uwagę obecne w cząsteczce 42 elektrony.
- Funkcja matematyczna opisująca elektrony benzenu jest 126-wymiarowa. Oznacza to, że jest to funkcja 126 współrzędnych, po trzy dla każdego z 42 elektronów. Elektrony nie są niezależne, więc nie możemy podzielić tego na 42 niezależne funkcje trójwymiarowe - powiedział chemik Timothy Schmidt z Uniwersytetu w Sydney.
Matematyczne opisywanie struktury elektronowej benzenu musi uwzględniać 126 wymiarów. Nie jest to prosta rzecz. Ta złożoność jest tak naprawdę powodem, dla którego poznanie struktury pozostaje problemem od tak dawna.
Istnieją dwie szkoły: pierwsza mówi, że benzen jest zgodny z teorią wiązań walencyjnych, ze zlokalizowanymi elektronami, a druga mówi, że ma zdelokalizowane elektrony. Niestety, żadna z nich nie jest idealna.
- Interpretacja struktury elektronowej w odniesieniu do orbitali ignoruje fakt, że funkcja falowa jest asymetryczna po wymianie podobnych spinów. Ponadto orbitale molekularne nie zapewniają intuicyjnego opisu korelacji elektronowej - dodał Timothy Schmidt.
Naukowcy opracowali nową technikę do oceny 126-wymiarowej struktury elektronowej benzenu. Nazywa się ona dynamicznym próbkowaniem Voronoi Metropolis i wykorzystuje algorytmiczne podejście do wizualizacji funkcji falowych układu wielu elektronów. Podczas analiz naukowcy znaleźli coś dziwnego.
- Elektrony z tzw. podwójnie związanymi spinami górnymi miały wiązania ze spinami dolnymi - i odwrotnie. Nie tak chemicy myśleli o benzenie - wyjaśnił Schmidt.
Skutkuje to tym, że elektrony unikają się, gdy jest to korzystne, zmniejszając energię cząsteczki i czyniąc ją bardziej stabilną. To oznacza połączenie dwóch - wydawać by się mogło - sprzecznych paradygmatów dotyczących benzenu.
