Benzene in 126 dimensioni
Scienziati australiani hanno recentemente descritto una molecola chimica che ha attirato a lungo la loro attenzione. Si ritiene che il risultato dello studio influenzerà nuovi progetti di celle solari, diodi organici emettitori di luce e altre tecnologie di prossima generazione che mostrano l'uso del benzene.
benzene composto chimico organico del gruppo degli areni. È l'idrocarburo aromatico neutro carbociclico più semplice. È, tra l'altro, un componente del DNA, delle proteine, del legno e dell'olio. I chimici si sono interessati al problema della struttura del benzene dall'isolamento del composto. Nel 1865, il chimico tedesco Friedrich August Kekule ipotizzò che il benzene fosse un cicloesatriene a sei membri in cui si alternano legami singoli e doppi tra atomi di carbonio.
Dagli anni '30, nei circoli chimici sono in corso discussioni sulla struttura della molecola del benzene. Questo dibattito ha assunto una maggiore urgenza negli ultimi anni perché il benzene, composto da sei atomi di carbonio legati a sei atomi di idrogeno, è la più piccola molecola conosciuta che può essere utilizzata nella produzione dell'optoelettronica, un'area tecnologica del futuro. .
La controversia sulla struttura di una molecola nasce perché, sebbene abbia poche componenti atomiche, esiste in uno stato che è descritto matematicamente non da tre o anche quattro dimensioni (compreso il tempo), come sappiamo dalla nostra esperienza, ma fino a 126 taglie.
Da dove viene questo numero? Pertanto, ciascuno dei 42 elettroni che compongono la molecola è descritto in tre dimensioni e moltiplicandoli per il numero di particelle si ottiene esattamente 126. Quindi queste non sono misurazioni reali, ma matematiche. La misurazione di questo sistema complesso e molto piccolo si è finora rivelata impossibile, il che significava che l'esatto comportamento degli elettroni nel benzene non poteva essere conosciuto. E questo era un problema, perché senza queste informazioni non sarebbe stato possibile descrivere completamente la stabilità della molecola nelle applicazioni tecniche.
Ora, tuttavia, gli scienziati guidati da Timothy Schmidt dell'ARC Center of Excellence in Exciton Science e dell'Università del New South Wales a Sydney sono riusciti a svelare il mistero. Insieme ai colleghi di UNSW e CSIRO Data61, ha applicato un sofisticato metodo basato su algoritmi chiamato Voronoi Metropolis Dynamic Sampling (DVMS) alle molecole di benzene per mappare le loro funzioni di lunghezza d'onda su tutto 126 taglie. Questo algoritmo permette di dividere lo spazio dimensionale in "tessere", ognuna delle quali corrisponde a permutazioni delle posizioni degli elettroni. I risultati di questo studio sono stati pubblicati sulla rivista Nature Communications.
Di particolare interesse per gli scienziati è stata la comprensione dello spin degli elettroni. "Quello che abbiamo trovato è stato molto sorprendente", osserva il professor Schmidt nella pubblicazione. “Gli elettroni spin-up nel carbonio sono legati a doppio in configurazioni tridimensionali a bassa energia. In sostanza, questo riduce l'energia della molecola, rendendola più stabile a causa degli elettroni che vengono spinti via e respinti". La stabilità di una molecola, a sua volta, è una caratteristica desiderabile nelle applicazioni tecniche.
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