Bensen i 126 dimensioner
Australiska forskare beskrev nyligen en kemisk molekyl som länge har tilldragit sig deras uppmärksamhet. Man tror att resultatet av studien kommer att påverka nya konstruktioner av solceller, organiska lysdioder och andra nästa generations teknologier som visar användningen av bensen.
bensen organisk kemisk förening från gruppen arener. Det är det enklaste karbocykliska neutrala aromatiska kolvätet. Det är bland annat en komponent av DNA, proteiner, trä och olja. Kemister har varit intresserade av problemet med strukturen hos bensen sedan föreningen isolerades. År 1865 antog den tyske kemisten Friedrich August Kekule att bensen är en sexledad cyklohexatrien där enkel- och dubbelbindningar alternerar mellan kolatomer.
Sedan 30-talet har diskussioner pågått i kemiska kretsar om bensenmolekylens struktur. Den här debatten har blivit mer brådskande de senaste åren eftersom bensen, som består av sex kolatomer bundna till sex väteatomer, är den minsta kända molekylen som kan användas i produktionen av optoelektronik, ett framtida teknikområde. .
Kontroversen kring strukturen av en molekyl uppstår eftersom den, även om den har få atomkomponenter, existerar i ett tillstånd som matematiskt beskrivs inte av tre eller ens fyra dimensioner (inklusive tid), som vi vet av vår erfarenhet, men upp till 126 storlekar.
Var kom detta nummer ifrån? Därför beskrivs var och en av de 42 elektronerna som utgör molekylen i tre dimensioner, och multiplicera dem med antalet partiklar ger exakt 126. Detta är alltså inte verkliga, utan matematiska mätningar. Mätning av detta komplexa och mycket lilla system har hittills visat sig omöjligt, vilket innebar att det exakta beteendet hos elektronerna i bensen inte kunde vara känt. Och detta var ett problem, för utan denna information skulle det inte vara möjligt att fullständigt beskriva molekylens stabilitet i tekniska tillämpningar.
Nu har dock forskare under ledning av Timothy Schmidt från ARC Center of Excellence in Exciton Science och University of New South Wales i Sydney lyckats reda ut mysteriet. Tillsammans med kollegor på UNSW och CSIRO Data61 tillämpade han en sofistikerad algoritmbaserad metod som heter Voronoi Metropolis Dynamic Sampling (DVMS) på bensenmolekyler för att kartlägga deras våglängdsfunktioner över alla 126 storlekar. Denna algoritm låter dig dela upp det dimensionella utrymmet i "plattor", som var och en motsvarar permutationer av elektronernas positioner. Resultaten av denna studie publicerades i tidskriften Nature Communications.
Av särskilt intresse för forskare var förståelsen av elektronernas spinn. "Det vi hittade var mycket överraskande," noterar professor Schmidt i publikationen. "Spin-up-elektronerna i kol är dubbelbundna till tredimensionella konfigurationer med lägre energi. I huvudsak sänker det molekylens energi, vilket gör den mer stabil på grund av att elektronerna trycks undan och stöts bort." Stabiliteten hos en molekyl är i sin tur en önskvärd egenskap i tekniska tillämpningar.
Se även:
