Benzene in 126 dimensioni

Scienziati australiani hanno recentemente descritto una molecola chimica che li ha affascinati a lungo. Si ritiene che il risultato della ricerca avrà un impatto su nuovi progetti di celle solari, diodi organici a emissione di luce e altre tecnologie di prossima generazione in cui, a quanto pare, il benzene può essere utilizzato.

Il benzene è un composto chimico organico. È il più semplice idrocarburo aromatico carbociclico neutro. Fa parte del DNA, delle proteine, del legno e del petrolio. Il problema della costruzione del benzene è stato di interesse per i chimici da quando questo composto è stato reciso. Nel 1865 il chimico tedesco Friedrich August Kekulé ipotizzò che il benzene fosse un cicloesatriene con un anello esagonale in cui si alternano legami singoli e doppi tra gli atomi di carbonio.

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C'è stato un dibattito nei circoli chimici sulla struttura della molecola del benzene sin dagli anni '1930. Questo dibattito si è intensificato negli ultimi anni perché il benzene, che è composto da sei atomi di carbonio combinati con sei atomi di idrogeno, è la più piccola molecola conosciuta che può essere utilizzata nella produzione di materiali optoelettronici, un'area tecnologica all'avanguardia.
La controversia sulla struttura di una molecola sorge perché, sebbene abbia pochi costituenti atomici, esiste in uno stato che non è matematicamente descritto dalle tre o anche quattro dimensioni (tempo compreso) che conosciamo dalla nostra esperienza, ma fino a 126 dimensioni. Da dove viene questo numero? Ciascuno dei 42 elettroni in una particella è descritto in tre dimensioni, e se li moltiplichi per il numero di particelle ottieni 126. Quindi queste non sono dimensioni reali, ma matematiche. La misurazione di questo sistema complesso e molto piccolo si è finora dimostrata impossibile, per cui non si conosceva l'esatto comportamento degli elettroni nel benzene. E questo è stato un problema, perché senza queste informazioni non sarà mai possibile descrivere completamente la durata della molecola nelle applicazioni tecniche.
Ora, tuttavia, gli scienziati che lavorano con Timothy Schmidt dell'ARC Center of Excellence in Exciton Science e dell'Università del New South Wales a Sydney sotto la direzione di Timothy Schmidt sono riusciti a risolvere questo mistero. Insieme ai colleghi di UNSW e CSIRO Data61, ha applicato un metodo complesso basato su algoritmi chiamato Voronoi Metropolis Dynamic Sampling (DVMS) alle molecole di benzene per mappare le loro funzioni di forma d'onda in tutte le 126 dimensioni. Questo algoritmo consente la divisione dello spazio dimensionale in "tessere", ciascuna corrispondente alle permutazioni delle posizioni degli elettroni. I risultati di questi studi sono stati pubblicati sulla rivista "Nature Communications". Di particolare interesse per gli scienziati è stata la comprensione dello spin degli elettroni. "Quello che abbiamo scoperto è stato molto sorprendente", osserva il professor Schmidt nella pubblicazione. "Gli elettroni nel doppio legame del carbonio combinati con lo spin verso l'alto in configurazioni tridimensionali con meno energia. Questo riduce significativamente l'energia della molecola e rende la molecola più stabile grazie agli elettroni che respingono ed evitano. La stabilità delle particelle, a sua volta , è una caratteristica desiderabile nelle applicazioni tecniche.