Strutture DVMS per il benzene. un sito Voronoi per la funzione d'onda RHF/6-31G(d). Le posizioni degli elettroni di uno spin arbitrario sono mostrate come piccole sfere gialle. b Le sezioni trasversali attraverso la funzione d'onda attorno al sito di Voronoi in un elettrone di legame C–C sono mostrate come lobi blu. I legami C–H sono mostrati in grigio. C. Sito Voronoi che mostra giri sfalsati. Le posizioni degli elettroni di ogni spin sono rispettivamente mostrate come piccole sfere gialle e verdi. D. Sezioni trasversali intorno al sito di Voronoi in c. I due spin degli elettroni di legame C–C sono mostrati in blu e rosso. I legami C–H sono mostrati in grigio. Credito: Comunicazioni sulla natura (2020). DOI:10.1038/s41467-020-15039-9
Uno dei misteri fondamentali della chimica è stato risolto da una collaborazione tra Exciton Science, UNSW e CSIRO - e il risultato potrebbe avere implicazioni per i futuri progetti di celle solari, diodi organici a emissione di luce e altre tecnologie di nuova generazione.
Fin dagli anni '30 il dibattito ha infuriato all'interno dei circoli chimici sulla struttura elettronica fondamentale del benzene. È un dibattito che negli ultimi anni ha assunto maggiore urgenza, perché il benzene - che comprende sei atomi di carbonio abbinati a sei atomi di idrogeno - è l'elemento fondamentale di molti materiali optoelettronici, che stanno rivoluzionando le energie rinnovabili e la tecnologia delle telecomunicazioni.
L'anello esagonale piatto è anche un componente del DNA, proteine, legno e petrolio.
La controversia sulla struttura della molecola sorge perché, sebbene abbia pochi componenti atomici, gli elettroni esistono in uno stato che comprende non solo quattro dimensioni - come il nostro "grande" mondo quotidiano - ma 126.
Analizzare un sistema così complesso si è dimostrato finora impossibile, il che significa che non è stato possibile scoprire il comportamento preciso degli elettroni del benzene. E questo rappresentava un problema, perché senza quell'informazione, la stabilità della molecola nelle applicazioni tecnologiche non potrebbe mai essere completamente compresa.
Ora, però, gli scienziati guidati da Timothy Schmidt dell'ARC Center of Excellence in Exciton Science e dell'UNSW Sydney sono riusciti a svelare il mistero e i risultati sono stati una sorpresa. Ora sono stati pubblicati sulla rivista Comunicazioni sulla natura .
Un'immagine di come la tessera della funzione d'onda a 126 dimensioni è sezionata 42 volte nelle nostre 3 dimensioni, una volta per ogni elettrone. Questo mostra il dominio di ciascun elettrone, in quella piastrella. Credito:UNSW Sydney
Professor Schmidt, con i colleghi di UNSW e Data61 di CSIRO, ha applicato un metodo complesso basato su algoritmi chiamato campionamento dinamico della metropoli di Voronoi (DVMS) alle molecole di benzene per mappare le loro funzioni d'onda in tutte le 126 dimensioni.
La chiave per svelare il problema complesso è stato un nuovo algoritmo matematico sviluppato dal coautore Dr Phil Kilby di Data61 del CSIRO. L'algoritmo consente allo scienziato di partizionare lo spazio dimensionale in "tessere" equivalenti, ciascuno corrispondente a una permutazione delle posizioni degli elettroni.
Di particolare interesse per gli scienziati è stata la comprensione dello "spin" degli elettroni. Tutti gli elettroni hanno spin:è la proprietà che produce magnetismo, tra le altre forze fondamentali – ma il modo in cui interagiscono tra loro è alla base di un'ampia gamma di tecnologie, dai diodi emettitori di luce all'informatica quantistica.
"Quello che abbiamo trovato è stato molto sorprendente, " ha detto il professor Schmidt. "Gli elettroni con ciò che è noto come doppio legame con spin verso l'alto, dove quelli con single-bonded down-spin, e viceversa.
"Non è così che pensano i chimici del benzene. Essenzialmente riduce l'energia della molecola, rendendolo più stabile, ottenendo elettroni, che si respingono, fuori l'uno dall'altro."
Il coautore Phil Kilby di Data61 ha aggiunto:"Sebbene sviluppato per questo contesto chimico, l'algoritmo che abbiamo sviluppato, per "l'abbinamento con i vincoli" può essere applicato anche a un'ampia varietà di aree, dalla turnazione del personale ai programmi di scambio di reni".
