Benzeen in 126 dimensies
Australische wetenschappers hebben onlangs een chemisch molecuul beschreven dat al lang hun aandacht trekt. Aangenomen wordt dat de bevindingen van het onderzoek van invloed zijn op nieuwe ontwerpen voor zonnecellen, organische lichtgevende diodes en andere technologieën van de volgende generatie die benzeen gebruiken.
benzeen een organische chemische verbinding uit de areengroep. Het is de eenvoudigste carbocyclische neutrale aromatische koolwaterstof. Het is onder meer een bestanddeel van DNA, eiwitten, hout en olie. Chemici zijn geïnteresseerd in het probleem van de structuur van benzeen sinds de isolatie van de verbinding. In 1865 veronderstelde de Duitse chemicus Friedrich August Kekule dat benzeen een zesledige cyclohexatrieen is waarin enkele en dubbele bindingen tussen de koolstofatomen afwisselen.
Sinds de jaren dertig is er in chemische kringen discussie over de structuur van het benzeenmolecuul. Dit debat heeft de afgelopen jaren een extra urgentie gekregen omdat benzeen, bestaande uit zes koolstofatomen gebonden aan zes waterstofatomen, het kleinste bekende molecuul is dat kan worden gebruikt bij de productie van opto-elektronica, een gebied van toekomstige technologie. .
De controverse rond de structuur van het molecuul ontstaat omdat het, hoewel het weinig atomaire componenten heeft, bestaat in een toestand die wiskundig wordt beschreven, niet door drie of zelfs vier dimensies (inclusief tijd), zoals we uit onze ervaring weten, maar door tot 126 maten.
Waar komt dit nummer vandaan? Daarom wordt elk van de 42 elektronen waaruit een molecuul bestaat, in drie dimensies beschreven, en als je ze vermenigvuldigt met het aantal deeltjes, krijg je precies 126. Dit zijn dus geen echte, maar wiskundige metingen. Het meten van dit complexe en zeer kleine systeem was tot nu toe onmogelijk gebleken, waardoor het exacte gedrag van de elektronen in benzeen niet bekend kon worden. En dit was een probleem omdat het zonder deze informatie onmogelijk zou zijn om de stabiliteit van het molecuul in technische toepassingen volledig te beschrijven.
Nu zijn wetenschappers onder leiding van Timothy Schmidt van het ARC Centre of Excellence in Exciton Science en de University of New South Wales in Sydney er echter in geslaagd het mysterie te ontrafelen. Samen met collega's van UNSW en CSIRO Data61 paste hij een complexe, op algoritmen gebaseerde methode toe, genaamd Voronoi Metropolis Dynamic Sampling (DVMS), op benzeenmoleculen om hun golflengtefuncties over alle golflengten te correleren. 126 maten. Met dit algoritme kan de dimensionale ruimte worden verdeeld in "tegels", die elk overeenkomen met permutaties van elektronenposities. De resultaten van dit onderzoek zijn gepubliceerd in het tijdschrift Nature Communications.
Van bijzonder belang voor wetenschappers was het begrijpen van de spin van elektronen. “Wat we ontdekten was zeer verrassend”, zegt professor Schmidt in de publicatie. “De spin-up-elektronen in koolstof zijn door dubbele bindingen met elkaar verbonden in driedimensionale configuraties met lagere energie. In wezen verlaagt het de energie van het molecuul, waardoor het stabieler wordt doordat elektronen worden afgestoten en wegbewegen.” De stabiliteit van het molecuul is op zijn beurt een wenselijk kenmerk in technische toepassingen.
Zie ook:
