Fast 200 Jahre nach der Entdeckung des Moleküls durch Michael Faraday haben Forscher endlich die komplexe elektronische Struktur von Benzol entdeckt.
Dies löst nicht nur eine Kontroverse, die seit den 1930er Jahren tobt, sondern hat auch wichtige Auswirkungen auf die zukünftige Entwicklung optoelektronischer Materialien, von denen viele auf Benzol basieren.
Die Atomstruktur von Benzol ist ziemlich gut bekannt. Es ist ein Ring aus sechs Kohlenstoffatomen und sechs Wasserstoffatomen, eines für jedes Kohlenstoffatom.
Dies wird extrem schwierig, wenn wir die 42 Elektronen eines Moleküls betrachten.
“Die mathematische Funktion, die die Elektronen von Benzol beschreibt, ist 126-dimensional”, sagte der Chemiker Timothy Schmidt vom ARC Center of Excellence in Exciton Science und der UNSW in Australien.
'Dies bedeutet, dass es eine Funktion von 126 Koordinaten ist, drei für jedes der 42 Elektronen. Elektronen sind nicht unabhängig, daher können wir dies nicht in 42 unabhängige 3D-Funktionen aufteilen.
Die Antwort der Maschine ist für Menschen nicht leicht zu interpretieren, und wir mussten einen Weg finden, um die Antwort zu erhalten. '
Dies bedeutet also, dass bei der mathematischen Beschreibung der elektronischen Struktur von Benzol 126 Messungen berücksichtigt werden müssen. Wie Sie sich vorstellen können, ist dies nicht einfach. Aufgrund dieser Komplexität ist das Aufdecken der Struktur so lange ein Problem geblieben, dass es zu Kontroversen über das Verhalten von Benzolelektronen gekommen ist.
Es gibt zwei Denkrichtungen: Benzol folgt der Theorie der Valenzbindungen mit lokalisierten Elektronen; oder Molekülorbitaltheorie mit delokalisierten Elektronen. Das Problem ist, keiner von ihnen scheint ganz richtig zu sein.
“Die Interpretation der elektronischen Struktur in Form von Orbitalen ignoriert, dass die Wellenfunktion beim Austausch derselben Spins antisymmetrisch ist”, schrieben die Forscher in ihrer Arbeit. “Darüber hinaus bieten Molekülorbitale keine intuitive Beschreibung der Elektronenkorrelation.”
Die Arbeit des Teams basierte auf einer Technik, die sie kürzlich entwickelt hatten. Es wird als dynamische Abtastung der Voronoi-Metropole bezeichnet und verwendet einen algorithmischen Ansatz, um die Wellenfunktionen eines Mehrelektronensystems zu visualisieren.
Dadurch werden die elektronischen Dimensionen in einem Voronoi-Diagramm in einzelne Kacheln unterteilt, wobei jede der Kacheln elektronischen Koordinaten entspricht, sodass das Team die Wellenfunktion aller 126 Dimensionen anzeigen kann.
Querschnitt eines Moleküls. (Liu et al., Nature Communications, 2020)
Und sie fanden etwas Seltsames.
“Elektronen mit sogenannten Doppelbindungen mit zunehmender Rotationsgeschwindigkeit, Elektronen mit Einfachbindungen mit abnehmender Rotationsgeschwindigkeit und umgekehrt”, sagte Schmidt. “So denken Chemiker nicht über Benzol.”
Infolgedessen meiden sich Elektronen, wenn sie nützlich sind, was die Energie des Moleküls verringert und es stabiler macht.
“Es bringt im Grunde chemisches Denken zusammen und zeigt, wie die beiden vorherrschenden Paradigmen, mit denen wir Benzol beschreiben, zusammenkommen”, sagte er.
„Wir zeigen Ihnen aber auch, wie Sie die sogenannte Elektronenkorrelation testen können – wie sich Elektronen gegenseitig meiden. Dies wird fast immer qualitativ ignoriert und nur für Berechnungen verwendet, bei denen nur Energie und kein elektronisches Verhalten verwendet wird. '
Die Studie wurde in Nature Communications veröffentlicht.
