Structures DVMS pour le benzène. un site de Voronoi pour la fonction d'onde RHF/6-31G(d). Les positions des électrons d'un spin arbitraire sont représentées par de petites sphères jaunes. b Les coupes transversales de la fonction d'onde autour du site de Voronoï dans une liaison C–C des électrons sont représentées par des lobes bleus. Les liaisons C–H sont représentées en gris. c. Site de Voronoi montrant des vrilles décalées. Les positions des électrons de chaque spin sont respectivement représentées par de petites sphères jaunes et vertes. ré. Coupes transversales autour du site de Voronoi en c. Les deux spins des électrons de liaison C-C sont représentés en bleu et en rouge. Les liaisons C–H sont représentées en gris. Crédit: Communication Nature (2020). DOI :10.1038/s41467-020-15039-9
L'un des mystères fondamentaux de la chimie a été résolu grâce à une collaboration entre Exciton Science, UNSW et CSIRO - et le résultat peut avoir des implications pour les futures conceptions de cellules solaires, diodes électroluminescentes organiques et autres technologies de nouvelle génération.
Depuis les années 1930, le débat fait rage dans les cercles de la chimie concernant la structure électronique fondamentale du benzène. C'est un débat qui a pris ces dernières années une urgence accrue, parce que le benzène - qui comprend six atomes de carbone associés à six atomes d'hydrogène - est la pierre angulaire de nombreux matériaux opto-électroniques, qui révolutionnent les technologies des énergies renouvelables et des télécommunications.
L'anneau hexagonal plat est également un composant de l'ADN, protéines, bois et pétrole.
La controverse autour de la structure de la molécule survient parce que bien qu'elle ait peu de composants atomiques, les électrons existent dans un état comprenant non seulement quatre dimensions - comme notre "grand" monde quotidien - mais 126.
Analyser un système aussi complexe s'est avéré jusqu'à présent impossible, ce qui signifie que le comportement précis des électrons du benzène n'a pas pu être découvert. Et cela représentait un problème, car sans cette information, la stabilité de la molécule dans les applications technologiques n'a jamais pu être entièrement comprise.
Maintenant, cependant, des scientifiques dirigés par Timothy Schmidt du Centre d'excellence de l'ARC en science Exciton et UNSW Sydney ont réussi à percer le mystère – et les résultats ont été une surprise. Ils sont maintenant publiés dans la revue Communication Nature .
Une image de la façon dont la tuile de fonction d'onde à 126 dimensions est coupée 42 fois dans nos 3 dimensions, une fois pour chaque électron. Cela montre le domaine de chaque électron, dans cette tuile. Crédit :UNSW Sydney
Professeur Schmidt, avec des collègues de l'UNSW et du CSIRO's Data61, appliqué une méthode complexe basée sur un algorithme appelée échantillonnage dynamique de Voronoi Metropolis (DVMS) aux molécules de benzène afin de cartographier leurs fonctions d'onde dans les 126 dimensions.
La clé pour démêler le problème complexe était un nouvel algorithme mathématique développé par le co-auteur Dr Phil Kilby de Data61 du CSIRO. L'algorithme permet au scientifique de partitionner l'espace dimensionnel en « tuiles » équivalentes, correspondant chacun à une permutation des positions des électrons.
La compréhension du "spin" des électrons était particulièrement intéressante pour les scientifiques. Tous les électrons ont un spin - c'est la propriété qui produit le magnétisme, parmi d'autres forces fondamentales - mais la façon dont ils interagissent les uns avec les autres est à la base d'un large éventail de technologies, des diodes électroluminescentes à l'informatique quantique.
"Ce que nous avons trouvé était très surprenant, " a déclaré le professeur Schmidt. " Les électrons avec ce qu'on appelle une double liaison de spin ascendant, où ceux avec downspin single-bonded, et vice versa.
"Ce n'est pas comme ça que les chimistes pensent le benzène. Essentiellement, il réduit l'énergie de la molécule, le rendre plus stable, en obtenant des électrons, qui se repoussent, à l'écart l'un de l'autre."
Le co-auteur Phil Kilby de Data61 a ajouté :« Bien que développé pour ce contexte de chimie, l'algorithme que nous avons développé, pour « correspondance aux contraintes » peut également être appliqué à une grande variété de domaines, de la liste du personnel aux programmes d'échange de reins."
