90年後,科學傢終於揭示瞭苯的結構

90年後,科學傢終於揭示瞭苯的結構

苯的DVMS結構。a:RHF/6-31G(d) 波函數的Voronoi位點。任意自旋的電子位置顯示為黃色小球。b:在C–C鍵電子中,Voronoi位點周圍通過波函數的截面顯示為藍色瓣。C–H鍵顯示為灰色。C:Voronoi位點顯示交錯旋轉。每個自旋的電子位置分別顯示為黃色和綠色小球。d:c中Voronoi站點周圍的橫截面。C–C鍵電子的兩個自旋以藍色和紅色顯示。C–H鍵顯示為灰色。圖片:新南威爾士大學

澳大利亞科學傢已經解決瞭化學的基本謎團之一,其結果可能對太陽能電池、有機發光二極管和其他下一代技術的未來設計產生影響。

自1930年代以來,化學界內部就苯的基本結構展開瞭激烈的爭論。近年來辯論變得更加緊迫,因為包含六個碳原子和六個氫原子的苯是可用於生產光電材料的最小分子,這正在徹底改變可再生能源和電信技術。

它也是DNA、蛋白質、木材和石油的成分。

圍繞分子結構的爭論之所以出現,是因為盡管它的原子成分很少,但它的存在狀態不僅有4個維度(如我們日常生活的世界),而是126個維度。

迄今為止,無法測量一個復雜而又微小的系統,這意味著無法發現苯中電子的精確行為。這就是一個問題,因為如果沒有這些信息,該分子在技術應用中的穩定性將永遠無法被完全理解。

但是,現在,由ARC傑出科學中心的科學傢蒂莫西·施密特(Timothy Schmidt)和新南威爾士大學悉尼分校的科學傢成功地揭開瞭謎底,結果令人驚訝。它們現已發表在《自然通訊》雜志上。

施密特教授與來自UNSW和CSIRO Data61的同事一起,對苯分子應用瞭一種基於算法的復雜方法,稱為Dynamic Voronoi Metropolis Sampling(DVMS),以便在所有126個維度上繪制其波函數。

90年後,科學傢終於揭示瞭苯的結構

126維波函數被切成瞭42個3D圖像,每個電子一次。這顯示瞭該圖塊中的每個電子域。圖片:新南威爾士大學

解決復雜問題的關鍵是由CSIRO Data61的合著者菲爾·基爾比(Phil Kilby)博士開發瞭一種新的數學算法。該算法允許科學傢將維空間劃分為等效的“平鋪”,每個平鋪對應於電子位置的排列。

科學傢特別感興趣的是理解電子的“自旋”。所有電子都有自旋(這是產生磁力以及其他基本力的特性),但是它們如何相互作用是從發光二極管到量子計算的廣泛技術的基礎。

施密特教授說:“我們發現的結果非常令人驚訝。具有自旋向上的電子是雙鍵的,而具有自旋向下的電子則保持單鍵。

“這不是我們所期望的,但是對於未來的技術應用來說可能是個好消息。從本質上講,它通過獲得電子使彼此排斥,從而降低瞭分子的能量,使其更加穩定。 ”

來自Data61的合著者菲爾·基爾比補充說:“盡管針對這種化學背景進行瞭開發,但我們為’與約束條件匹配’而開發的算法也可以應用於從工作人員名冊到腎臟交換計劃的廣泛領域。”

苯的電子結構是爭奪電子結構觀點的戰場,價鍵理論將電子定位在疊加的共振結構內,而分子軌道理論則描述瞭離域電子。但是,關於電子結構的軌道解釋忽略瞭波函數在類似自旋的互換時是反對稱的。此外,分子軌道不能提供電子相關性的直觀描述。在這裡,我們證明瞭苯的126維電子波函數可以通過相似自旋的排列而劃分為相關的圖塊。利用相關的波函數,將這些圖塊投影到三個

每個電子的尺寸以揭示Kekulé結構的疊加。但是,相反的旋轉有利於占用其他Kekulé結構。該結果簡潔地描述瞭苯中電子相關性的主要作用,並強調當在能量上有利於彼此避免時,電子將不會在空間上配對。

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