Benzen ve 126 rozměrech
Australští vědci nedávno popsali chemickou molekulu, která dlouho přitahovala jejich pozornost. Předpokládá se, že výsledek studie ovlivní nové návrhy solárních článků, organických světelných diod a dalších technologií nové generace, které ukazují použití benzenu.
benzen organická chemická sloučenina ze skupiny arenů. Je to nejjednodušší karbocyklický neutrální aromatický uhlovodík. Je mimo jiné součástí DNA, bílkovin, dřeva a ropy. Chemici se o problém struktury benzenu zajímají již od izolace sloučeniny. Německý chemik Friedrich August Kekule v roce 1865 vyslovil hypotézu, že benzen je šestičlenný cyklohexatrien, ve kterém se mezi atomy uhlíku střídají jednoduché a dvojné vazby.
Od 30. let XNUMX. století se v chemických kruzích vedou diskuse o struktuře molekuly benzenu. Tato debata nabyla v posledních letech na naléhavosti, protože benzen, tvořený šesti atomy uhlíku vázanými na šest atomů vodíku, je nejmenší známou molekulou, kterou lze použít při výrobě optoelektroniky, technologické oblasti budoucnosti. .
Kontroverze kolem struktury molekuly vzniká proto, že ačkoli má molekula málo atomárních složek, existuje ve stavu, který je matematicky popsán nikoli třemi nebo dokonce čtyřmi dimenzemi (včetně času), jak víme z naší zkušenosti, ale až 126 velikostí.
Odkud se toto číslo vzalo? Proto je každý ze 42 elektronů, které tvoří molekulu, popsán trojrozměrně a jejich vynásobením počtem částic dostaneme přesně 126. Nejde tedy o reálná, ale matematická měření. Měření tohoto složitého a velmi malého systému se zatím ukázalo jako nemožné, což znamenalo, že přesné chování elektronů v benzenu nemohlo být známo. A to byl problém, protože bez těchto informací by nebylo možné plně popsat stabilitu molekuly v technických aplikacích.
Nyní se však vědcům pod vedením Timothyho Schmidta z ARC Center of Excellence in Exciton Science a University of New South Wales v Sydney podařilo záhadu rozluštit. Spolu s kolegy z UNSW a CSIRO Data61 aplikoval sofistikovanou metodu založenou na algoritmu nazvanou Voronoi Metropolis Dynamic Sampling (DVMS) na molekuly benzenu, aby zmapoval jejich funkce vlnových délek na všech 126 velikostí. Tento algoritmus umožňuje rozdělit dimenzionální prostor na "dlaždice", z nichž každá odpovídá permutacím pozic elektronů. Výsledky této studie byly publikovány v časopise Nature Communications.
Obzvláště zajímavé pro vědce bylo pochopení rotace elektronů. "To, co jsme našli, bylo velmi překvapivé," poznamenává profesor Schmidt v publikaci. "Spin-up elektrony v uhlíku jsou dvojitě navázány do trojrozměrných konfigurací s nižší energií. V podstatě snižuje energii molekuly a činí ji stabilnější, protože elektrony jsou odtlačovány a odpuzovány." Stabilita molekuly je zase žádoucí charakteristikou v technických aplikacích.
Viz též:
