Βενζόλιο σε 126 διαστάσεις

Αυστραλοί επιστήμονες περιέγραψαν πρόσφατα ένα χημικό μόριο που έχει τραβήξει από καιρό την προσοχή τους. Τα ευρήματα της μελέτης πιστεύεται ότι επηρεάζουν νέα σχέδια για ηλιακά κύτταρα, οργανικές διόδους εκπομπής φωτός και άλλες τεχνολογίες επόμενης γενιάς που χρησιμοποιούν βενζόλιο.

βενζολίου μια οργανική χημική ένωση από την ομάδα της αρένας. Είναι ο απλούστερος καρβοκυκλικός ουδέτερος αρωματικός υδρογονάνθρακας. Είναι, μεταξύ άλλων, συστατικό του DNA, των πρωτεϊνών, του ξύλου και του λαδιού. Οι χημικοί ενδιαφέρθηκαν για το πρόβλημα της δομής του βενζολίου από την απομόνωση της ένωσης. Το 1865, ο Γερμανός χημικός Friedrich August Kekule υπέθεσε ότι το βενζόλιο είναι ένα εξαμελές κυκλοεξατριένιο στο οποίο απλοί και διπλοί δεσμοί εναλλάσσονται μεταξύ ατόμων άνθρακα.

Από τη δεκαετία του 30, υπήρξε συζήτηση στους χημικούς κύκλους σχετικά με τη δομή του μορίου του βενζολίου. Αυτή η συζήτηση έχει λάβει πρόσθετο επείγοντα χαρακτήρα τα τελευταία χρόνια, επειδή το βενζόλιο, που αποτελείται από έξι άτομα άνθρακα συνδεδεμένα με έξι άτομα υδρογόνου, είναι το μικρότερο γνωστό μόριο που μπορεί να χρησιμοποιηθεί στην παραγωγή οπτοηλεκτρονικής, μια περιοχή μελλοντικής τεχνολογίας. .

Η διαμάχη γύρω από τη δομή του μορίου προκύπτει επειδή, αν και έχει λίγα ατομικά συστατικά, υπάρχει σε μια κατάσταση που περιγράφεται μαθηματικά όχι από τρεις ή ακόμη και τέσσερις διαστάσεις (συμπεριλαμβανομένου του χρόνου), όπως γνωρίζουμε από την εμπειρία μας, αλλά έως 126 μεγέθη.

Από πού προήλθε αυτός ο αριθμός; Επομένως, καθένα από τα 42 ηλεκτρόνια που συνθέτουν ένα μόριο περιγράφεται σε τρεις διαστάσεις και πολλαπλασιάζοντας τα με τον αριθμό των σωματιδίων προκύπτει ακριβώς 126. Άρα δεν πρόκειται για πραγματικές, αλλά για μαθηματικές μετρήσεις. Η μέτρηση αυτού του πολύπλοκου και πολύ μικρού συστήματος είχε μέχρι στιγμής αποδειχθεί αδύνατη, πράγμα που σημαίνει ότι η ακριβής συμπεριφορά των ηλεκτρονίων στο βενζόλιο δεν μπορούσε να γίνει γνωστή. Και αυτό ήταν ένα πρόβλημα γιατί χωρίς αυτές τις πληροφορίες θα ήταν αδύνατο να περιγραφεί πλήρως η σταθερότητα του μορίου σε τεχνικές εφαρμογές.

Ωστόσο, τώρα επιστήμονες με επικεφαλής τον Timothy Schmidt από το ARC Center of Excellence in Exciton Science και το Πανεπιστήμιο της Νέας Νότιας Ουαλίας στο Σίδνεϊ κατάφεραν να ξετυλίξουν το μυστήριο. Μαζί με τους συναδέλφους του από το UNSW και το CSIRO Data61, εφάρμοσε μια πολύπλοκη μέθοδο βασισμένη σε αλγόριθμο που ονομάζεται Voronoi Metropolis Dynamic Sampling (DVMS) σε μόρια βενζολίου για να συσχετίσει τις συναρτήσεις μήκους κύματός τους σε όλα τα 126 μεγέθη. Αυτός ο αλγόριθμος επιτρέπει στον διαστατικό χώρο να χωριστεί σε "πλακίδια", καθένα από τα οποία αντιστοιχεί σε μεταθέσεις θέσεων ηλεκτρονίων. Τα αποτελέσματα αυτής της μελέτης δημοσιεύτηκαν στο περιοδικό Nature Communications.

Ιδιαίτερο ενδιαφέρον για τους επιστήμονες ήταν η κατανόηση του σπιν των ηλεκτρονίων. «Αυτό που βρήκαμε ήταν πολύ περίεργο», λέει ο καθηγητής Schmidt στη δημοσίευση. «Τα ηλεκτρόνια spin-up στον άνθρακα συνδέονται με διπλούς δεσμούς σε τρισδιάστατες διαμορφώσεις χαμηλότερης ενέργειας. Ουσιαστικά, μειώνει την ενέργεια του μορίου, καθιστώντας το πιο σταθερό λόγω των ηλεκτρονίων που απωθούνται και απομακρύνονται». Η σταθερότητα του μορίου, με τη σειρά του, είναι ένα επιθυμητό χαρακτηριστικό σε εφαρμογές μηχανικής.