Efter 90 år, forskere afslører strukturen af ​​benzen

Et af kemiens grundmysterier er blevet løst ved et samarbejde mellem Exciton Science, UNSW og CSIRO - og resultatet kan have konsekvenser for fremtidige design af solceller, organiske lysemitterende dioder og andre næste generations teknologier.

Lige siden 1930'erne har debatten raset inde i kemikredse om benzenens grundlæggende elektroniske struktur. Det er en debat, der i de senere år har taget ekstra hast, fordi benzen-som omfatter seks kulstofatomer matchet med seks brintatomer-er den grundlæggende byggesten for mange opto-elektroniske materialer, som revolutionerer vedvarende energi og telekommunikationsteknologi.

Den flade sekskantede ring er også en bestanddel af DNA, proteiner, træ og råolie.

Kontroversen omkring molekylets struktur opstår, fordi selvom det har få atomkomponenter, eksisterer elektronerne i en tilstand, der ikke kun består af fire dimensioner - som vores daglige "store" verden - men 126.

Analyse af et system, der komplekst indtil nu har vist sig umuligt, hvilket betyder, at benzenelektroners præcise adfærd ikke kunne opdages. Og det repræsenterede et problem, fordi uden disse oplysninger, molekylets stabilitet i tekniske applikationer kunne aldrig helt forstås.

Nu, imidlertid, forskere ledet af Timothy Schmidt fra ARC Center of Excellence in Exciton Science og UNSW Sydney er lykkedes med at opklare mysteriet - og resultaterne kom som en overraskelse. De er nu blevet offentliggjort i tidsskriftet Naturkommunikation .

Professor Schmidt, med kolleger fra UNSW og CSIRO's Data61, anvendt en kompleks algoritme-baseret metode kaldet dynamisk Voronoi Metropolis sampling (DVMS) til benzenmolekyler for at kortlægge deres bølgefunktioner på tværs af alle 126 dimensioner.

Nøglen til at løse det komplekse problem var en ny matematisk algoritme udviklet af medforfatter Dr. Phil Kilby fra CSIRO's Data61. Algoritmen giver forskeren mulighed for at opdele det dimensionelle rum i ækvivalente "fliser", hver svarer til en permutation af elektronpositioner.

Af særlig interesse for forskerne var forståelsen af ​​elektronernes "spin". Alle elektroner har spin - det er egenskaben, der producerer magnetisme, blandt andre grundlæggende kræfter - men hvordan de interagerer med hinanden er grundlaget for en lang række teknologier, fra lysemitterende dioder til kvanteberegning.

"Det, vi fandt, var meget overraskende, "sagde professor Schmidt." Elektronerne med det, der er kendt som up-spin dobbeltbundet, hvor dem med down-spin single-bonded, og omvendt.

"Det er ikke sådan kemikere tænker om benzen. I det væsentlige reducerer det molekylets energi, gør det mere stabilt, ved at få elektroner, som afviser hinanden, ud af hinandens vej. "

Medforfatter Phil Kilby fra Data61 tilføjede:"Selvom den er udviklet til denne kemiske kontekst, den algoritme, vi udviklede, for 'matchning med begrænsninger' kan også anvendes på en lang række områder, fra personaleliste til nyreudvekslingsprogrammer. "