Quasi 200 anni dopo la scoperta della molecola da parte di Michael Faraday, i ricercatori hanno finalmente scoperto la complessa struttura elettronica del benzene.
Questo non solo risolve una controversia che imperversa dagli anni '30, ma ha importanti implicazioni per il futuro sviluppo dei materiali optoelettronici, molti dei quali sono basati sul benzene.
La struttura atomica del benzene è abbastanza ben compresa. È un anello composto da sei atomi di carbonio e sei atomi di idrogeno, uno per ogni atomo di carbonio.
Questo diventa estremamente difficile se consideriamo i 42 elettroni di una molecola.
“La funzione matematica che descrive gli elettroni del benzene è a 126 dimensioni”, ha detto il chimico Timothy Schmidt dell'ARC Center of Excellence in Exciton Science e UNSW in Australia.
«Ciò significa che è una funzione di 126 coordinate, tre per ciascuno dei 42 elettroni. Gli elettroni non sono indipendenti, quindi non possiamo suddividerlo in 42 funzioni 3D indipendenti.
La risposta della macchina non è facile da interpretare dagli esseri umani e abbiamo dovuto inventare un modo per ottenere la risposta. '
Quindi, questo significa che la descrizione matematica della struttura elettronica del benzene deve tenere conto di 126 misurazioni. Come puoi immaginare, questa non è una cosa facile da fare. In effetti, a causa di questa complessità, scoprire la struttura è rimasto un problema per così tanto tempo che ha portato a polemiche sul comportamento degli elettroni del benzene.
Esistono due scuole di pensiero: il benzene segue la teoria dei legami di valenza con gli elettroni localizzati; o teoria degli orbitali molecolari con elettroni delocalizzati. Il problema è che nessuno di loro sembra avere ragione.
“L'interpretazione della struttura elettronica in termini di orbitali ignora che la funzione d'onda è antisimmetrica quando si scambiano gli stessi giri”, hanno scritto i ricercatori nel loro articolo. “Inoltre, gli orbitali molecolari non forniscono una descrizione intuitiva della correlazione elettronica”.
Il lavoro del team si è basato su una tecnica sviluppata di recente. Si chiama campionamento dinamico della metropoli di Voronoi e utilizza un approccio algoritmico per visualizzare le funzioni d'onda di un sistema multielettronico.
Questo divide le dimensioni elettroniche in singole tessere in un diagramma di Voronoi, dove ciascuna delle tessere corrisponde a coordinate elettroniche, consentendo al team di visualizzare la funzione d'onda di tutte le 126 dimensioni.
Sezione trasversale di una molecola. (Liu et al. Nature Communications, 2020)
E hanno trovato qualcosa di strano.
“Elettroni con i cosiddetti doppi legami con un aumento della velocità di rotazione, dove gli elettroni con legami singoli con una diminuzione della velocità di rotazione e viceversa”, ha detto Schmidt. “Questo non è il modo in cui i chimici pensano al benzene.”
Di conseguenza, gli elettroni si evitano l'un l'altro quando sono utili, diminuendo l'energia della molecola e rendendola più stabile.
“Fondamentalmente riunisce il pensiero chimico, mostrando come i due paradigmi prevalenti che usiamo per descrivere il benzene si uniscono”, ha detto.
“Ma vi mostriamo anche come testare la cosiddetta correlazione elettronica, ovvero come gli elettroni si evitano a vicenda. Questo è quasi sempre qualitativamente ignorato e utilizzato solo per i calcoli in cui viene utilizzata solo l'energia, non il comportamento elettronico. ”
La ricerca è stata pubblicata su Nature Communications.
