Vědci právě objevili elektronovou strukturu molekuly, která existuje ve 126 rozměrech

Vědci právě objevili elektronovou strukturu molekuly, která existuje ve 126 rozměrech

Téměř 200 let poté, co molekulu objevil Michael Faraday, vědci konečně objevili složitou elektronovou strukturu benzenu.

Tím se nejen vyřeší kontroverze, která zuří od 30. let, ale má to také důležité důsledky pro budoucí vývoj optoelektronických materiálů, z nichž mnohé jsou založeny na benzenu.

Atomová struktura benzenu je docela dobře známa. Je to kruh složený ze šesti atomů uhlíku a šesti atomů vodíku, jeden pro každý atom uhlíku.

To se stává extrémně obtížným, když vezmeme v úvahu 42 elektronů molekuly.

„Matematická funkce popisující elektrony benzenu je 126-rozměrná,“ řekl chemik Timothy Schmidt z ARC Center of Excellence in Exciton Science a UNSW v Austrálii.

To znamená, že je to funkce 126 souřadnic, tři pro každý ze 42 elektronů. Elektrony nejsou nezávislé, takže to nemůžeme rozdělit na 42 nezávislých 3D funkcí.

Člověk není strojově vypočítanou odpověď snadno interpretovatelný a my jsme museli vymyslet způsob, jak odpověď získat. “

To znamená, že matematický popis elektronické struktury benzenu musí brát v úvahu 126 měření. Jak si dokážete představit, není to snadná věc. Ve skutečnosti kvůli této složitosti zůstalo odhalení struktury problémem tak dlouho, že to vedlo ke kontroverzi ohledně chování benzenových elektronů.

Existují dva myšlenkové směry: benzen se řídí teorií valenčních vazeb s lokalizovanými elektrony; nebo molekulární orbitální teorie s delokalizovanými elektrony. Problém je, že žádný z nich se nezdá být zcela v pořádku.

„Interpretace elektronické struktury ve smyslu orbitálů ignoruje, že vlnová funkce je při výměně stejných otočení antisymetrická,“ uvedli vědci ve svém příspěvku. „Navíc molekulární orbitaly neposkytují intuitivní popis elektronové korelace.“

Práce týmu byla založena na technice, kterou nedávno vyvinuli. Říká se tomu dynamické vzorkování metropole Voronoi a využívá algoritmický přístup k vizualizaci vlnových funkcí multi-elektronového systému.

Toto rozděluje elektronické dimenze na jednotlivé dlaždice ve Voronoiově diagramu, kde každá z dlaždic odpovídá elektronickým souřadnicím, což umožňuje týmu zobrazit vlnovou funkci všech 126 dimenzí.

Průřez molekuly. (Liu et al. Nature Communications, 2020)

A našli něco zvláštního.

„Elektrony s tzv. Dvojnými vazbami se zvýšením rychlosti otáčení, kde elektrony s jednoduchými vazbami se snížením rychlosti otáčení a naopak,“ uvedl Schmidt. „Takto chemici o benzenu nemyslí.“

Výsledkem je, že se elektrony navzájem vyhýbají, když jsou prospěšné, snižují energii molekuly a zvyšují její stabilitu.

“V zásadě přináší chemické myšlení dohromady a ukazuje, jak se spojují dvě převládající paradigmata, která používáme k popisu benzenu,” řekl.

„Ale také vám ukážeme, jak otestovat takzvanou elektronovou korelaci – jak se elektrony navzájem vyhýbají. Toto je téměř vždy kvalitativně ignorováno a používá se pouze pro výpočty, kde se používá pouze energie, nikoli elektronické chování. “

Studie byla publikována v Nature Communications.

Like this post? Please share to your friends:
Leave a Reply

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: