Estruturas de DVMS para benzeno. um site Voronoi para a função de onda RHF / 6-31G (d). As posições dos elétrons de um spin arbitrário são mostradas como pequenas esferas amarelas. b As seções transversais da função de onda ao redor do local de Voronoi em elétrons de ligação C – C são mostradas como lobos azuis. As ligações C – H são mostradas em cinza. c. Site de Voronoi mostrando giros escalonados. As posições dos elétrons de cada spin são mostradas respectivamente como pequenas esferas amarelas e verdes. d. Seções transversais ao redor do local de Voronoi em c. Os dois spins dos elétrons de ligação C – C são mostrados em azul e vermelho. As ligações C – H são mostradas em cinza. Crédito: Nature Communications (2020). DOI:10.1038 / s41467-020-15039-9
Um dos mistérios fundamentais da química foi resolvido por uma colaboração entre a Exciton Science, UNSW e CSIRO - e o resultado pode ter implicações para projetos futuros de células solares, diodos emissores de luz orgânicos e outras tecnologias de próxima geração.
Desde a década de 1930, o debate tem ocorrido dentro dos círculos da química a respeito da estrutura eletrônica fundamental do benzeno. É um debate que nos últimos anos adquiriu uma urgência acrescida, porque o benzeno - que compreende seis átomos de carbono combinados com seis átomos de hidrogênio - é o bloco de construção fundamental de muitos materiais optoeletrônicos, que estão revolucionando as energias renováveis e a tecnologia de telecomunicações.
O anel hexagonal plano também é um componente do DNA, proteínas, madeira e petróleo.
A controvérsia em torno da estrutura da molécula surge porque, embora ela tenha poucos componentes atômicos, os elétrons existem em um estado que compreende não apenas quatro dimensões - como nosso "grande" mundo cotidiano - mas 126.
Analisar um sistema tão complexo até agora provou ser impossível, o que significa que o comportamento preciso dos elétrons do benzeno não pôde ser descoberto. E isso representou um problema, porque sem essa informação, a estabilidade da molécula em aplicações de tecnologia nunca poderia ser totalmente compreendida.
Agora, Contudo, cientistas liderados por Timothy Schmidt do ARC Centre of Excellence in Exciton Science e UNSW Sydney conseguiram desvendar o mistério - e os resultados foram uma surpresa. Eles já foram publicados na revista Nature Communications .
Uma imagem de como o bloco de função de onda de 126 dimensões é seccionado em nossas 3 dimensões 42 vezes, uma vez para cada elétron. Isso mostra o domínio de cada elétron, nesse ladrilho. Crédito:UNSW Sydney
Professor Schmidt, com colegas da UNSW e CSIRO's Data61, aplicou um método baseado em algoritmo complexo chamado amostragem dinâmica Voronoi Metropolis (DVMS) para moléculas de benzeno a fim de mapear suas funções de onda em todas as 126 dimensões.
A chave para desvendar o problema complexo foi um novo algoritmo matemático desenvolvido pelo co-autor Dr. Phil Kilby do Data61 do CSIRO. O algoritmo permite ao cientista particionar o espaço dimensional em "blocos" equivalentes, cada um correspondendo a uma permutação de posições de elétrons.
De particular interesse para os cientistas foi entender o "spin" dos elétrons. Todos os elétrons têm spin - é a propriedade que produz o magnetismo, entre outras forças fundamentais - mas como eles interagem uns com os outros é a base de uma ampla gama de tecnologias, de diodos emissores de luz à computação quântica.
"O que descobrimos foi muito surpreendente, "disse o professor Schmidt." Os elétrons com o que é conhecido como up-spin double-bonded, onde aqueles com down-spin single-bonded, e vice versa.
"Não é assim que os químicos pensam sobre o benzeno. Essencialmente, ele reduz a energia da molécula, tornando-o mais estável, obtendo elétrons, que se repelem, fora do caminho um do outro. "
O co-autor Phil Kilby da Data61 acrescentou:"Embora desenvolvido para este contexto de química, o algoritmo que desenvolvemos, para 'correspondência com restrições' também pode ser aplicada a uma ampla variedade de áreas, de escala de funcionários a programas de intercâmbio de rins. "
