Benzen w 126 wymiarach
Australijscy naukowcy opisali niedawno cząsteczkę chemiczną, która od dawna przyciąga ich uwagę. Uważa się, że wnioski z badania wpłyną na nowe projekty ogniw słonecznych, organicznych diod elektroluminescencyjnych i innych technologii nowej generacji wykorzystujących benzen.
benzen organiczny związek chemiczny z grupy arenów. Jest to najprostszy karbocykliczny obojętny węglowodór aromatyczny. Jest m.in. składnikiem DNA, białek, drewna i oleju. Chemicy interesowali się problemem budowy benzenu od czasu wyizolowania związku. W 1865 roku niemiecki chemik Friedrich August Kekule postawił hipotezę, że benzen jest sześcioczłonowym cykloheksatrienem, w którym pomiędzy atomami węgla występują naprzemiennie wiązania pojedyncze i podwójne.
Od lat trzydziestych XX wieku w kręgach chemicznych toczy się debata na temat budowy cząsteczki benzenu. Debata ta nabrała w ostatnich latach jeszcze bardziej pilnego charakteru, ponieważ benzen, składający się z sześciu atomów węgla związanych z sześcioma atomami wodoru, jest najmniejszą znaną cząsteczką, którą można wykorzystać w produkcji optoelektroniki, czyli obszaru przyszłej technologii. .
Kontrowersje wokół budowy cząsteczki powstają dlatego, że choć ma niewiele składników atomowych, to istnieje w stanie matematycznie opisanym nie przez trzy, czy nawet cztery wymiary (w tym czas), jak wiemy z naszego doświadczenia, ale aż do 126 rozmiarów.
Skąd wzięła się ta liczba? Dlatego każdy z 42 elektronów tworzących cząsteczkę jest opisany w trzech wymiarach, a pomnożenie ich przez liczbę cząstek daje dokładnie 126. Nie są to więc pomiary rzeczywiste, ale matematyczne. Pomiar tego złożonego i bardzo małego układu okazał się jak dotąd niemożliwy, co oznaczało, że nie można było poznać dokładnego zachowania elektronów w benzenie. I to był problem, bo bez tych informacji nie da się w pełni opisać stabilności cząsteczki w zastosowaniach technicznych.
Jednak teraz naukowcom pod przewodnictwem Timothy'ego Schmidta z ARC Center of Excellence in Exciton Science i Uniwersytetu Nowej Południowej Walii w Sydney udało się rozwikłać zagadkę. Wraz z kolegami z UNSW i CSIRO Data61 zastosował do cząsteczek benzenu złożoną metodę opartą na algorytmie zwaną Voronoi Metropolis Dynamic Sampling (DVMS) w celu skorelowania ich funkcji długości fali we wszystkich 126 rozmiarów. Algorytm ten pozwala na podzielenie przestrzeni wymiarowej na „płytki”, z których każda odpowiada permutacjom pozycji elektronów. Wyniki tego badania opublikowano w czasopiśmie Nature Communications.
Naukowców szczególnie zainteresowało zrozumienie spinu elektronów. „To, co odkryliśmy, było bardzo zaskakujące” – stwierdza w publikacji profesor Schmidt. „Elektrony o spinie w węglu są połączone wiązaniami podwójnymi w trójwymiarowe konfiguracje o niższej energii. Zasadniczo obniża energię cząsteczki, czyniąc ją bardziej stabilną dzięki odpychaniu i oddalaniu się elektronów. Z kolei stabilność cząsteczki jest pożądaną cechą w zastosowaniach inżynieryjnych.
Zobacz także:
