Molekülün Michael Faraday tarafından keşfedilmesinden yaklaşık 200 yıl sonra, araştırmacılar sonunda benzenin karmaşık elektronik yapısını keşfettiler.
Bu sadece 1930'lardan beri süregelen bir tartışmayı çözmekle kalmıyor, aynı zamanda çoğu benzene dayanan optoelektronik malzemelerin gelecekteki gelişimi için de önemli etkilere sahip.
Benzen atomik yapısı oldukça iyi anlaşılmıştır. Her karbon atomu için bir tane olmak üzere altı karbon atomu ve altı hidrojen atomundan oluşan bir halkadır.
Bir molekülün 42 elektronunu düşündüğümüzde bu son derece zor hale gelir.
Avustralya'daki Exciton Biliminde ARC Mükemmeliyet Merkezi ve UNSW'den kimyager Timothy Schmidt, “Benzen elektronlarını tanımlayan matematiksel fonksiyon 126 boyutludur” dedi.
Bu, 42 elektronun her biri için üç tane olmak üzere 126 koordinatın bir fonksiyonu olduğu anlamına gelir. Elektronlar bağımsız değildir, bu yüzden bunu 42 bağımsız 3B fonksiyona bölemeyiz.
Makinenin cevabını insanlar tarafından yorumlamak kolay değil ve cevabı almanın bir yolunu bulmalıydık. '
Bu nedenle, benzenin elektronik yapısının matematiksel tanımının 126 ölçümü hesaba katması gerektiği anlamına gelir. Tahmin edebileceğiniz gibi, bu yapılması kolay bir şey değil. Aslında, bu karmaşıklık nedeniyle, yapının ortaya çıkarılması o kadar uzun süredir bir sorun olarak kaldı ki, benzen elektronlarının nasıl davrandığı konusunda tartışmalara yol açtı.
İki düşünce ekolü vardır: benzen, lokalize elektronlarla değerlik bağları teorisini izler; veya yer değiştirmiş elektronlarla moleküler yörünge teorisi. Sorun şu ki, hiçbiri tam olarak doğru görünmüyor.
Araştırmacılar makalelerinde, “Elektronik yapıyı orbitaller açısından yorumlamak, dalga fonksiyonunun aynı dönüşleri değiştirirken antisimetrik olduğunu göz ardı ediyor” diye yazdı. “Dahası, moleküler orbitaller elektron korelasyonunun sezgisel bir tanımını sağlamaz.”
Takımın çalışması, yakın zamanda geliştirdikleri bir tekniğe dayanıyordu. Voronoi Metropolis'in dinamik örneklemesi olarak adlandırılır ve çok elektronlu bir sistemin dalga fonksiyonlarını görselleştirmek için algoritmik bir yaklaşım kullanır.
Bu, elektronik boyutları bir Voronoi diyagramında ayrı karolara böler; burada karoların her biri bir elektronik koordinata karşılık gelir ve ekibin 126 boyutun tümünün dalga fonksiyonunu görüntülemesine olanak tanır.
Bir molekülün kesiti. (Liu ve diğerleri, Nature Communications, 2020)
Ve tuhaf bir şey buldular.
Schmidt, “Dönme hızında bir artışa sahip sözde çift bağlara sahip elektronlar, burada tek bağa sahip elektronlar dönme hızında bir azalma ile birlikte ve tam tersi” dedi. “Kimyagerler benzen hakkında böyle düşünmüyor.”
Sonuç olarak, elektronlar faydalı olduğunda birbirlerinden kaçınırlar, molekülün enerjisini düşürür ve daha kararlı hale getirir.
“Temel olarak kimyasal düşünceyi bir araya getiriyor ve benzeni tanımlamak için kullandığımız iki geçerli paradigmanın nasıl bir araya geldiğini gösteriyor” dedi.
Ama size elektron korelasyonu denen şeyi nasıl test edeceğinizi de gösteriyoruz – elektronların birbirlerinden nasıl kaçındıkları. Bu neredeyse her zaman niteliksel olarak göz ardı edilir ve yalnızca elektronik davranışın değil, yalnızca enerjinin kullanıldığı hesaplamalar için kullanılır. '
Çalışma Nature Communications'da yayınlandı.
