Benzen i 126 dimensioner
Australske videnskabsmænd beskrev for nylig et kemisk molekyle, der længe har tiltrukket sig deres opmærksomhed. Det menes, at resultatet af undersøgelsen vil påvirke nye designs af solceller, organiske lysemitterende dioder og andre næste generations teknologier, der viser brugen af benzen.
benzen organisk kemisk forbindelse fra gruppen af arener. Det er det enkleste carbocykliske neutrale aromatiske kulbrinte. Det er blandt andet en bestanddel af DNA, proteiner, træ og olie. Kemikere har været interesseret i problemet med strukturen af benzen siden isoleringen af forbindelsen. I 1865 antog den tyske kemiker Friedrich August Kekule, at benzen er en seksleddet cyclohexatrien, hvor enkelt- og dobbeltbindinger veksler mellem kulstofatomer.
Siden 30'erne har der i kemiske kredse været diskussioner om benzenmolekylets struktur. Denne uenighed har i de senere år fået et øget behov, fordi benzen, der består af seks kulstofatomer bundet til seks brintatomer, er det mindste kendte molekyle, der kan bruges i produktionen af optoelektronik, et teknologiområde i fremtiden. .
Kontroversen omkring strukturen af molekylet opstår, fordi selv om det har få atomare komponenter, eksisterer det i en tilstand, der er matematisk beskrevet ikke af tre eller endda fire dimensioner (inklusive tid), som vi ved fra vores erfaring, men op til 126 størrelser.
Hvor kom dette tal fra? Derfor er hver af de 42 elektroner, der udgør molekylet, beskrevet i tre dimensioner, og gange dem med antallet af partikler giver det præcis 126. Det er altså ikke reelle, men matematiske målinger. Måling af dette komplekse og meget lille system har indtil videre vist sig umuligt, hvilket betød, at elektronernes nøjagtige opførsel i benzen ikke kunne kendes. Og det var et problem, for uden denne information ville det ikke være muligt fuldt ud at beskrive molekylets stabilitet i tekniske applikationer.
Nu er det imidlertid lykkedes forskere ledet af Timothy Schmidt fra ARC Center of Excellence in Exciton Science og University of New South Wales i Sydney at opklare mysteriet. Sammen med kolleger ved UNSW og CSIRO Data61 anvendte han en sofistikeret algoritmebaseret metode kaldet Voronoi Metropolis Dynamic Sampling (DVMS) på benzenmolekyler for at kortlægge deres bølgelængdefunktioner over alle 126 størrelser. Denne algoritme giver dig mulighed for at opdele det dimensionelle rum i "fliser", som hver svarer til permutationer af elektronernes positioner. Resultaterne af denne undersøgelse blev offentliggjort i tidsskriftet Nature Communications.
Af særlig interesse for videnskabsmænd var forståelsen af elektronernes spin. "Det, vi fandt, var meget overraskende," bemærker professor Schmidt i publikationen. "Spin-up elektronerne i kulstof er dobbeltbundet til tredimensionelle konfigurationer med lavere energi. I det væsentlige sænker dette molekylets energi, hvilket gør det mere stabilt på grund af, at elektronerne skubbes væk og frastødes." Stabiliteten af et molekyle er til gengæld en ønskelig egenskab i tekniske anvendelser.
Se også:
