DIgital Tхромать Tанк (DTT)

Бензол в 126 измерениях

Австралийские ученые недавно описали химическую молекулу, которая давно их интересовала. Считается, что результаты исследования повлияют на новые конструкции солнечных элементов, органических светодиодов и других технологий следующего поколения, в которых, как выясняется, может быть использован бензол.

Бензол - это органическое химическое соединение. Это простейший карбоциклический нейтральный ароматический углеводород. Это часть ДНК, белков, древесины и масла. Проблема создания бензола интересовала химиков с тех пор, как это соединение было выделено. В 1865 году немецкий химик Фридрих Август Кекуле выдвинул гипотезу о том, что бензол представляет собой циклогексатриен с гексагональным кольцом, в котором одинарная и двойная связи между атомами углерода чередуются.

Источник изображения: Pixabay


В химических кругах ведутся споры о структуре молекулы бензола с 1930-х годов. Эти дебаты усилились в последние годы, потому что бензол, который состоит из шести атомов углерода в сочетании с шестью атомами водорода, является самой маленькой известной молекулой, которую можно использовать в производстве оптоэлектронных материалов, что является новаторской областью технологии.
Споры о структуре молекулы возникают из-за того, что, хотя у нее мало атомных составляющих, она существует в состоянии, которое математически не описывается тремя или даже четырьмя измерениями (включая время), которые мы знаем из нашего опыта, но вплоть до 126 измерений. Откуда взялся этот номер? Каждый из 42 электронов в частице описывается в трех измерениях, и если вы умножите их на количество частиц, вы получите 126. Итак, это не настоящие, а математические измерения. Измерение этой сложной и очень маленькой системы до сих пор оказалось невозможным, поэтому точное поведение электронов в бензоле не было известно. И это было проблемой, потому что без этой информации невозможно полностью описать долговечность молекулы в технических приложениях.
Но теперь ученым, работающим с Тимоти Шмидтом из Центра передового опыта в области экситонной науки ARC и Университета Нового Южного Уэльса в Сиднее под руководством Тимоти Шмидта, удалось разгадать эту загадку. Вместе с коллегами из UNSW и CSIRO Data61 он применил сложный, основанный на алгоритмах метод под названием Voronoi Metropolis Dynamic Sampling (DVMS) к молекулам бензола, чтобы отобразить их волновые функции во всех 126 измерениях. Этот алгоритм позволяет разделить пространственное пространство на «плитки», каждая из которых соответствует перестановкам положений электронов. Результаты этих исследований опубликованы в журнале «Nature Communications». Особый интерес для ученых представляло понимание спина электрона. «То, что мы обнаружили, было очень удивительным», - отмечает профессор Шмидт в публикации. «Электроны в двойной углеродной связи в сочетании со спином вверх в трехмерных конфигурациях с меньшей энергией. Это значительно снижает энергию молекулы и делает молекулу более стабильной благодаря отталкиванию и уклонению электронов. Стабильность частицы, в свою очередь, , является желательной функцией в технических приложениях.