Hampir 200 tahun setelah molekul itu ditemui oleh Michael Faraday, para penyelidik akhirnya menemui struktur elektronik benzena yang kompleks.
Ini bukan sahaja dapat menyelesaikan kontroversi yang terjadi sejak tahun 1930-an, tetapi mempunyai implikasi penting untuk pengembangan bahan optoelektronik di masa depan, yang kebanyakannya berdasarkan benzena.
Struktur atom benzena difahami dengan baik. Ini adalah cincin yang terdiri daripada enam atom karbon dan enam atom hidrogen, satu untuk setiap atom karbon.
Ini menjadi sangat sukar apabila kita mempertimbangkan 42 elektron molekul.
“Fungsi matematik yang menggambarkan elektron benzena adalah 126 dimensi,” kata ahli kimia Timothy Schmidt dari Pusat Kecemerlangan ARC dalam Sains Exciton dan UNSW di Australia.
Ini bermaksud bahawa ia adalah fungsi 126 koordinat, tiga untuk setiap 42 elektron. Elektron tidak bebas, jadi kami tidak dapat memecahnya menjadi 42 fungsi 3D bebas.
Jawapan mesin itu tidak mudah ditafsirkan oleh manusia, dan kita harus mencipta cara untuk mendapatkan jawapannya. '
Oleh itu, ini bermaksud bahawa keterangan matematik struktur elektronik benzena mesti mengambil kira 126 pengukuran. Seperti yang anda bayangkan, ini bukan perkara mudah untuk dilakukan. Sebenarnya, kerana kerumitan ini, pembongkaran struktur tetap menjadi masalah sejak sekian lama, sehingga menimbulkan kontroversi mengenai bagaimana elektron benzena berkelakuan.
Terdapat dua aliran pemikiran: benzena mengikuti teori ikatan valensi dengan elektron tempatan; atau teori orbit molekul dengan elektron yang dilokalisasi. Masalahnya, tidak ada yang kelihatan betul.
“Mentafsirkan struktur elektronik dari segi orbital mengabaikan bahawa fungsi gelombang adalah antisimetri ketika menukar putaran yang sama,” para penyelidik menulis dalam makalah mereka. “Lebih-lebih lagi, orbital molekul tidak memberikan gambaran intuitif mengenai korelasi elektron.”
Hasil kerja pasukan ini berdasarkan teknik yang mereka kembangkan baru-baru ini. Ini disebut pensampelan dinamik Metropolis Voronoi dan menggunakan pendekatan algoritma untuk memvisualisasikan fungsi gelombang sistem multi-elektron.
Ini membahagikan dimensi elektronik menjadi jubin individu dalam rajah Voronoi, di mana setiap jubin sesuai dengan koordinat elektronik, yang membolehkan pasukan memaparkan fungsi gelombang semua 126 dimensi.
Keratan rentas molekul. (Liu et al. Nature Communications, 2020)
Dan mereka menjumpai sesuatu yang pelik.
“Elektron dengan ikatan berganda yang disebut dengan peningkatan kelajuan putaran, di mana elektron dengan ikatan tunggal dengan penurunan kelajuan putaran dan sebaliknya,” kata Schmidt. “Ini bukan bagaimana ahli kimia berfikir tentang benzena.”
Akibatnya, elektron saling menghindar apabila bermanfaat, mengurangkan tenaga molekul dan menjadikannya lebih stabil.
“Ini pada dasarnya menyatukan pemikiran kimia, menunjukkan bagaimana dua paradigma yang berlaku yang kita gunakan untuk menggambarkan benzena bersatu,” katanya.
“Tetapi kami juga menunjukkan kepada anda bagaimana untuk menguji apa yang disebut korelasi elektron – bagaimana elektron saling menghindar. Ini hampir selalu diabaikan secara kualitatif dan hanya digunakan untuk pengiraan di mana hanya tenaga yang digunakan, bukan tingkah laku elektronik. '
Penyelidikan ini diterbitkan dalam Nature Communications.
