Benzol in 126 Dimensionen
Australische Wissenschaftler haben kürzlich ein chemisches Molekül beschrieben, das seit langem ihre Aufmerksamkeit erregt. Es wird angenommen, dass die Ergebnisse der Studie Einfluss auf neue Designs für Solarzellen, organische Leuchtdioden und andere Technologien der nächsten Generation haben, die Benzol verwenden.
Benzol eine organische chemische Verbindung aus der Gruppe der Arene. Es ist der einfachste carbozyklische neutrale aromatische Kohlenwasserstoff. Es ist unter anderem Bestandteil von DNA, Proteinen, Holz und Öl. Chemiker interessieren sich seit der Isolierung der Verbindung für das Problem der Struktur von Benzol. Im Jahr 1865 stellte der deutsche Chemiker Friedrich August Kekule die Hypothese auf, dass Benzol ein sechsgliedriges Cyclohexatrien ist, in dem sich Einfach- und Doppelbindungen zwischen Kohlenstoffatomen abwechseln.
Seit den 30er Jahren gibt es in chemischen Kreisen Debatten über die Struktur des Benzolmoleküls. Diese Debatte hat in den letzten Jahren an Dringlichkeit gewonnen, da Benzol, bestehend aus sechs Kohlenstoffatomen, die an sechs Wasserstoffatome gebunden sind, das kleinste bekannte Molekül ist, das für die Herstellung von Optoelektronik, einem Zukunftstechnologiegebiet, verwendet werden kann. .
Die Kontroverse um die Struktur des Moleküls entsteht, weil es, obwohl es aus wenigen atomaren Bestandteilen besteht, in einem Zustand existiert, der mathematisch nicht durch drei oder sogar vier Dimensionen (einschließlich der Zeit) beschrieben wird, wie wir aus unserer Erfahrung wissen, sondern durch bis zu 126 Größen.
Woher kommt diese Nummer? Daher wird jedes der 42 Elektronen, aus denen ein Molekül besteht, in drei Dimensionen beschrieben, und ihre Multiplikation mit der Anzahl der Teilchen ergibt genau 126. Es handelt sich also nicht um reale, sondern um mathematische Messungen. Die Messung dieses komplexen und sehr kleinen Systems erwies sich bisher als unmöglich, sodass das genaue Verhalten der Elektronen im Benzol nicht bekannt war. Und das war ein Problem, denn ohne diese Informationen wäre es unmöglich, die Stabilität des Moleküls in technischen Anwendungen vollständig zu beschreiben.
Doch nun ist es Wissenschaftlern um Timothy Schmidt vom ARC Centre of Excellence in Exciton Science und der University of New South Wales in Sydney gelungen, das Rätsel zu lösen. Zusammen mit Kollegen von UNSW und CSIRO Data61 wandte er eine komplexe, auf Algorithmen basierende Methode namens Voronoi Metropolis Dynamic Sampling (DVMS) auf Benzolmoleküle an, um ihre Wellenlängenfunktionen über alle hinweg zu korrelieren 126 Größen. Dieser Algorithmus ermöglicht die Unterteilung des Dimensionsraums in „Kacheln“, von denen jede Permutationen von Elektronenpositionen entspricht. Die Ergebnisse dieser Studie wurden in der Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht.
Von besonderem Interesse für Wissenschaftler war das Verständnis des Spins von Elektronen. „Was wir herausgefunden haben, war sehr überraschend“, sagt Professor Schmidt in der Veröffentlichung. „Die Spin-up-Elektronen im Kohlenstoff sind durch Doppelbindungen zu dreidimensionalen Konfigurationen niedrigerer Energie verbunden. Im Wesentlichen verringert es die Energie des Moleküls und macht es stabiler, da sich Elektronen abstoßen und wegbewegen.“ Die Stabilität des Moleküls wiederum ist eine wünschenswerte Eigenschaft in technischen Anwendungen.
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