После 90 лет ученые разгадали одну из фундаментальных загадок химии

Одна из фундаментальных загадок химии была решена благодаря сотрудничеству между Exciton Science, UNSW и CSIRO – и результат исследований может иметь важное значение для будущих конструкций солнечных элементов, органических светодиодов и других технологий следующего поколения.

С 1930-х годов в химических кругах разгорелись споры о фундаментальной электронной структуре бензола. Это дискуссия, которая в последние годы приобрела особую актуальность, потому что бензол, который состоит из шести атомов углерода в сочетании с шестью атомами водорода, является фундаментальным строительным материалом для многих оптоэлектронных материалов, которые произведут революцию в технологии использования возобновляемых источников энергии и телекоммуникации.

Плоское шестиугольное кольцо также является компонентом ДНК , белков, дерева и нефти.

Спор вокруг структуры молекулы возникает потому, что, хотя в ней мало атомных компонентов, электроны существуют в состоянии, состоящем не только из четырех измерений, как наш повседневный мир, а из 126.

Анализ такой сложной системы до сих пор казался невозможным, а это означает, что точное поведение бензольных электронов не может быть обнаружено. И это представляло проблему, поскольку без этой информации стабильность молекулы в технических приложениях никогда не могла бы быть полностью понята учеными.

Однако теперь ученым во главе с Тимоти Шмидтом из Центра передовых технологий ARC в области науки об экситонах из UNSW в Сиднее удалось раскрыть тайну и результаты оказались неожиданными. Они были опубликованы в журнале Nature Communications.

Профессор Шмидт вместе с коллегами из UNSW и CSIRO Data61, применил сложный метод на основе алгоритма, называемым динамической выборкой Вороного метрополиса (DVMS), к молекулам бензола, чтобы отобразить их волновые функции во всех 126 измерениях.

Ключом к решению сложной проблемы был новый математический алгоритм, разработанный соавтором доктором Филом Килби из Data61 CSIRO. Алгоритм позволяет ученому разделить размерное пространство на эквивалентные по размеру плитки, каждая из которых соответствует перестановке позиций электронов.

Особый интерес для ученых представляло понимание вращения электронов. У всех электронов есть вращение – это свойство, которое создает магнетизм среди других фундаментальных сил, но то, как они взаимодействуют друг с другом, и лежит в основе широкого спектра технологий – от светодиодов до квантовых вычислений .

“То, что мы нашли, было очень удивительно”, – сказал профессор Шмидт. – “Электроны с так называемой двойной связью, электроны с одинарной обратной связью, и наоборот”.

“Это не то, что химики думают о бензоле. По сути, это уменьшает энергию молекулы, делая ее более стабильной, выводя электроны, которые отталкиваются друг от друга”.

Соавтор Фил Килби из Data61 добавил: “Несмотря на то, что разработанный для этого химического контекста алгоритм, который мы разработали для сопоставления с ограничениями, можно также применять в самых разных областях, включая медицину”.