Estructuras DVMS para benceno. un sitio de Voronoi para la función de onda RHF / 6-31G (d). Las posiciones de los electrones de un espín arbitrario se muestran como pequeñas esferas amarillas. b Las secciones transversales de la función de onda alrededor del sitio de Voronoi en un enlace C – C de electrones se muestran como lóbulos azules. Los enlaces C – H se muestran en gris. C. Sitio de Voronoi que muestra giros escalonados. Las posiciones de los electrones de cada espín se muestran respectivamente como pequeñas esferas amarillas y verdes. D. Secciones transversales alrededor del sitio de Voronoi en c. Los dos espines de los electrones de enlace C – C se muestran en azul y rojo. Los enlaces C – H se muestran en gris. Crédito: Comunicaciones de la naturaleza (2020). DOI:10.1038 / s41467-020-15039-9
Uno de los misterios fundamentales de la química ha sido resuelto por una colaboración entre Exciton Science, UNSW y CSIRO, y el resultado puede tener implicaciones para los diseños futuros de células solares, diodos emisores de luz orgánicos y otras tecnologías de próxima generación.
Desde la década de 1930, el debate se ha desarrollado dentro de los círculos de la química sobre la estructura electrónica fundamental del benceno. Es un debate que en los últimos años ha cobrado mayor urgencia, porque el benceno, que comprende seis átomos de carbono combinados con seis átomos de hidrógeno, es el bloque de construcción fundamental de muchos materiales optoelectrónicos, que están revolucionando la tecnología de las telecomunicaciones y las energías renovables.
El anillo hexagonal plano también es un componente del ADN, proteínas, madera y petróleo.
La controversia en torno a la estructura de la molécula surge porque, aunque tiene pocos componentes atómicos, los electrones existen en un estado que comprende no solo cuatro dimensiones, como nuestro mundo "grande" cotidiano, sino 126.
Analizar un sistema tan complejo hasta ahora ha resultado imposible, lo que significa que no se pudo descubrir el comportamiento preciso de los electrones de benceno. Y eso representó un problema, porque sin esa información, la estabilidad de la molécula en aplicaciones tecnológicas nunca podría entenderse por completo.
Ahora, sin embargo, Los científicos dirigidos por Timothy Schmidt del ARC Center of Excellence in Exciton Science y UNSW Sydney han logrado desentrañar el misterio, y los resultados fueron una sorpresa. Ahora han sido publicados en la revista. Comunicaciones de la naturaleza .
Una imagen de cómo el mosaico de función de onda de 126 dimensiones se secciona en nuestras 3 dimensiones 42 veces, una vez por cada electrón. Esto muestra el dominio de cada electrón, en ese azulejo. Crédito:UNSW Sydney
Profesor Schmidt, con colegas de UNSW y CSIRO's Data61, aplicó un método complejo basado en algoritmos llamado muestreo dinámico de Voronoi Metropolis (DVMS) a las moléculas de benceno para mapear sus funciones de onda en las 126 dimensiones.
La clave para desentrañar el complejo problema fue un nuevo algoritmo matemático desarrollado por el coautor, el Dr. Phil Kilby, de CSIRO's Data61. El algoritmo permite al científico dividir el espacio dimensional en "mosaicos" equivalentes, cada uno correspondiente a una permutación de posiciones de electrones.
De particular interés para los científicos fue comprender el "giro" de los electrones. Todos los electrones tienen espín; es la propiedad que produce el magnetismo, entre otras fuerzas fundamentales, pero la forma en que interactúan entre sí está en la base de una amplia gama de tecnologías, desde los diodos emisores de luz hasta la computación cuántica.
"Lo que encontramos fue muy sorprendente, "dijo el profesor Schmidt." Los electrones con lo que se conoce como doble enlace ascendente, donde aquellos con un solo enlace descendente, y viceversa.
"No es así como los químicos piensan sobre el benceno. Básicamente, reduce la energía de la molécula, haciéndolo más estable, obteniendo electrones, que se repelen, fuera del camino del otro ".
El coautor Phil Kilby de Data61 agregó:"Aunque se desarrolló para este contexto de química, el algoritmo que desarrollamos, para 'emparejar con restricciones' también se puede aplicar a una amplia variedad de áreas, desde la lista de personal hasta los programas de intercambio de riñones ".
