Почти 200 години след откриването на молекулата от Майкъл Фарадей, изследователите най-накрая откриха сложната електронна структура на бензола.
Това не само разрешава противоречия, които бушуват от 30-те години на миналия век, но има важни последици за бъдещото развитие на оптоелектронните материали, много от които са базирани на бензен.
Атомната структура на бензола е доста добре разбрана. Това е пръстен, съставен от шест въглеродни атома и шест водородни атома, по един за всеки въглероден атом.
Това става изключително трудно, когато разгледаме 42-те електрона на молекулата.
„Математическата функция, описваща електроните на бензола, е 126-измерна“, каза химикът Тимоти Шмид от Центъра за върхови постижения на ARC в науката Exciton и UNSW в Австралия.
Това означава, че това е функция от 126 координати, три за всеки от 42-те електрона. Електроните не са независими, така че не можем да разделим това на 42 независими 3D функции.
Отговорът на машината не е лесен за тълкуване от хората и трябваше да измислим начин да получим отговора.
По този начин това означава, че математическото описание на електронната структура на бензола трябва да вземе предвид 126 измервания. Както можете да си представите, това не е лесно да се направи. Всъщност, поради тази сложност, разкриването на структурата остава проблем за толкова дълго време, което води до противоречия относно това как се държат бензолните електрони.
Има две школи на мисъл: бензенът следва теорията на валентните връзки с локализирани електрони; или молекулярна орбитална теория с делокализирани електрони. Проблемът е, че никой от тях не изглежда да е съвсем прав.
“Тълкуването на електронната структура от гледна точка на орбитали игнорира, че вълновата функция е антисиметрична при обмен на едни и същи завъртания”, пишат изследователите в своя доклад. “Освен това молекулярните орбитали не предоставят интуитивно описание на електронната корелация.”
Работата на екипа се основава на техника, която те наскоро са разработили. Нарича се динамично вземане на проби от Воронойския метрополис и използва алгоритмичен подход за визуализиране на вълновите функции на многоелектронна система.
Това разделя електронните измерения на отделни плочки в диаграма на Вороной, където всяка от плочките съответства на електронни координати, което позволява на екипа да покаже вълновата функция на всички 126 измерения.
Напречно сечение на молекула. (Liu et al. Nature Communications, 2020)
И откриха нещо странно.
„Електрони с така наречените двойни връзки с увеличаване на скоростта на въртене, където електроните с единични връзки с намаляване на скоростта на въртене и обратно“, каза Шмид. „Химиците не мислят така за бензола.“
В резултат на това електроните се избягват един друг, когато са полезни, намалявайки енергията на молекулата и я прави по-стабилна.
“Това всъщност обединява химическото мислене, показвайки как двете преобладаващи парадигми, които използваме, за да опишем бензола, се обединяват”, каза той.
„Но ние също така ви показваме как да тествате това, което се нарича електронна корелация – как електроните се избягват един друг. Това почти винаги се пренебрегва качествено и се използва само за изчисления, при които се използва само енергия, а не електронно поведение. '
Изследването е публикувано в Nature Communications.
