Ученые только что раскрыли электронную структуру молекулы, которая существует в 126 измерениях

Спустя почти 200 лет после того, как молекула была открыта Майклом Фарадеем, исследователи наконец обнаружили сложную электронную структуру бензола.

Это не только разрешает спор, который бушует с 1930-х годов, но и имеет важные последствия для будущей разработки оптоэлектронных материалов, многие из которых построены на бензолах.

Атомная структура бензола довольно хорошо изучена. Это кольцо, состоящее из шести атомов углерода и шести атомов водорода, по одному на каждый из атомов углерода.

Это становится чрезвычайно сложно, когда мы рассматриваем 42 электрона молекулы.

«Математическая функция, описывающая электроны бензола, 126-мерна», — сказал химик Тимоти Шмидт из Центра передовых технологий ARC в науке об экситонах и UNSW в Австралии.

«Это означает, что это функция 126 координат, по три для каждого из 42 электронов. Электроны не являются независимыми, поэтому мы не можем разбить это на 42 независимых трехмерных функции.

Ответ, вычисляемый машиной, нелегко интерпретировать человеком, и нам пришлось изобрести способ получить ответ ».

Таким образом, это означает, что математическое описание электронной структуры бензола должно учитывать 126 измерений. Как вы можете себе представить, это не совсем простая вещь. Фактически, из-за этой сложности раскрытие структуры остается проблемой в течение столь длительного времени, что ведет к спорам о том, как ведут себя бензольные электроны.

Есть две школы мысли: бензол следует теории валентных связей с локализованными электронами; или молекулярно-орбитальная теория с делокализованными электронами. Проблема в том, что ни один из них, похоже, не совсем подходит.

«Интерпретация электронной структуры в терминах орбиталей игнорирует, что волновая функция является антисимметричной при обмене одинаковыми спинами», — писали исследователи в своей статье. «Кроме того, молекулярные орбитали не дают интуитивного описания электронной корреляции».

Работа команды была основана на методике, которую они недавно разработали. Он называется динамической выборкой Вороного Метрополиса и использует алгоритмический подход для визуализации волновых функций многоэлектронной системы.

Это разделяет электронные размеры на отдельные плитки на диаграмме Вороного, где каждая из плиток соответствует электронным координатам, что позволяет команде отобразить волновую функцию всех 126 измерений.

И они нашли что-то странное.

«Электроны с так называемыми двойными связями с повышением скорости вращения, где электроны с одинарными связями с понижением скорости вращения и наоборот», — сказал Шмидт. «Это не то, как химики думают о бензоле».

В результате этого электроны избегают друг друга, когда это выгодно, уменьшая энергию молекулы и делая ее более стабильной.

«По сути, это объединяет химическое мышление, показывая, как две преобладающие парадигмы, которыми мы описываем бензол, объединяются», — сказал он.

«Но мы также показываем, как проверить то, что называется электронной корреляцией — как электроны избегают друг друга. Это почти всегда качественно игнорируется и используется только для расчетов, где используется только энергия, а не электронное поведение».

Исследование было опубликовано в Nature Communications.