DVMS-strukturer för bensen. en Voronoi-plats för RHF/6-31G(d)-vågfunktionen. Elektronpositionerna för ett godtyckligt spinn visas som små gula sfärer. b Tvärsnitt genom vågfunktionen runt Voronoi-platsen i en C–C-bindningselektroner visas som blå lober. C–H-bindningar visas i grått. c. Voronoi-sajt som visar förskjutna snurr. Elektronpositionerna för varje spin visas som små gula respektive gröna sfärer. d. Tvärsnitt runt Voronoi-platsen i ca. De två spinnen av C–C-bindningselektronerna visas i blått och rött. C–H-bindningar visas i grått. Kreditera: Naturkommunikation (2020). DOI:10.1038/s41467-020-15039-9
Ett av kemins grundläggande mysterier har lösts genom ett samarbete mellan Exciton Science, UNSW och CSIRO – och resultatet kan få konsekvenser för framtida konstruktioner av solceller, organiska lysdioder och andra nästa generations teknologier.
Ända sedan 1930-talet har debatten rasat i kemikretsar om bensens grundläggande elektroniska struktur. Det är en debatt som de senaste åren har ökat brådskande, eftersom bensen – som består av sex kolatomer matchade med sex väteatomer – är den grundläggande byggstenen i många optoelektroniska material, som revolutionerar förnybar energi och telekommunikationsteknik.
Den platta hexagonala ringen är också en del av DNA, proteiner, ved och petroleum.
Kontroversen kring molekylens struktur uppstår för att även om den har få atomkomponenter existerar elektronerna i ett tillstånd som omfattar inte bara fyra dimensioner – som vår vardagliga "stora" värld – utan 126.
Att analysera ett komplext system har hittills visat sig omöjligt, vilket betyder att det exakta beteendet hos bensenelektroner inte kunde upptäckas. Och det representerade ett problem, för utan den informationen, molekylens stabilitet i tekniska tillämpningar kunde aldrig helt förstås.
Nu, dock, forskare ledda av Timothy Schmidt från ARC Center of Excellence in Exciton Science och UNSW Sydney har lyckats reda ut mysteriet – och resultaten kom som en överraskning. De har nu publicerats i tidskriften Naturkommunikation .
En bild av hur den 126-dimensionella vågfunktionsbrickan är tvärsnittad i våra 3-dimensioner 42 gånger, en gång för varje elektron. Detta visar domänen för varje elektron, i den brickan. Kredit:UNSW Sydney
Professor Schmidt, med kollegor från UNSW och CSIROs Data61, tillämpade en komplex algoritmbaserad metod som kallas dynamisk Voronoi Metropolis sampling (DVMS) på bensenmolekyler för att kartlägga deras vågfunktioner över alla 126 dimensioner.
Nyckeln till att reda ut det komplexa problemet var en ny matematisk algoritm utvecklad av medförfattaren Dr Phil Kilby från CSIROs Data61. Algoritmen tillåter vetenskapsmannen att dela upp det dimensionella utrymmet i likvärdiga "plattor", var och en motsvarar en permutation av elektronpositioner.
Av särskilt intresse för forskarna var förståelsen av elektronernas "snurr". Alla elektroner har spin - det är egenskapen som producerar magnetism, bland andra grundläggande krafter – men hur de interagerar med varandra ligger till grund för ett brett utbud av teknologier, från ljusemitterande dioder till kvantberäkning.
"Det vi hittade var mycket överraskande, " sa professor Schmidt. "Elektronerna med vad som kallas upp-spin dubbelbundna, där de med down-spin enkelbunden, och vice versa.
"Det är inte så kemister tänker om bensen. Det minskar i huvudsak molekylens energi, gör det mer stabilt, genom att få elektroner, som stöter bort varandra, ur vägen för varandra."
Medförfattaren Phil Kilby från Data61 tillade:"Även om den utvecklats för detta kemisammanhang, algoritmen vi utvecklade, för "matchning med begränsningar" kan också tillämpas på en mängd olika områden, från personalstyrka till njurutbytesprogram."
