La struttura elettronica del benzene: risolto l’enigma a 126 dimensioni che ha fatto impazzire gli scienziati per quasi un secolo.
Che il benzene sia una struttura chimica ciclica, un anello come si dice, formato da 6 atomi di carbonio non è certo un mistero, la controversia circa la sua struttura elettronica, durata quasi un secolo, sorge dal fatto che la nuvola di elettroni che lo avvolge non è in 3 ma in ben 126 dimensioni.
Lo studio, pubblicato su Nature, nasce dalla collaborazione tra Exciton Science, UNSW e CSIRO e il risultato non è solo importante dal punto di vista teorico, ma potrebbe avere implicazioni per i progetti futuri di celle solari, diodi organici a emissione di luce e altre tecnologie di nuova generazione.
Comprendere esattamente la struttura del benzene è importante per applicazioni tecnologiche
È dal 1930 che c’è dibattito all’interno dei circoli chimici riguardanti la struttura elettronica fondamentale del benzene. Negli ultimi anni però ha assunto una maggiore urgenza, perché il benzene, che comprende sei atomi di carbonio abbinati a sei atomi di idrogeno, è l’elemento fondamentale di molti materiali optoelettronici, che stanno rivoluzionando l’energia rinnovabile e la tecnologia delle telecomunicazioni oltre a essere un elemento molto presente in molte strutture naturali dal legno al petrolio.
Analizzare un sistema così complesso si era finora rivelato impossibile, cioè non era ancora stato scoperto il comportamento preciso degli elettroni del benzene. E ciò rappresentava un problema, perché senza tali informazioni, la stabilità della molecola nelle applicazioni tecnologiche non sarebbe mai stata del tutto compresa.
Ora gli scienziati guidati da Timothy Schmidt del ARC Center of Excellence in Exciton Science e UNSW Sydney sono riusciti a svelare il mistero e i risultati, pubblicati su Nature Communications, sono stati una sorpresa.
Il professor Schmidt, con i colleghi di UNSW e Data61 di CSIRO, hanno applicato un complesso metodo basato su algoritmo chiamato campionamento dinamico Voronoi Metropolis (DVMS) alle molecole di benzene per mappare le loro funzioni d’onda su tutte le 126 dimensioni.
La chiave per svelare il problema è stato un nuovo algoritmo matematico sviluppato dal co-autore Dr Phil Kilby del CS61 di Data61. L’algoritmo consente allo scienziato di suddividere lo spazio dimensionale in “tessere” equivalenti, ciascuna corrispondente a una permutazione delle posizioni degli elettroni.
Gli scienziati hanno studiato l’accoppiamento degli elettroni e una loro proprietà chiamata “spin”. Tutti gli elettroni hanno spin – ossia un momento magnetico intrinseco – ed elettroni con lo stesso spin non possono occupare un identico livello energetico.
Quello che è stato osservato è molto sorprendente: gli elettroni non presentano gli accoppiamenti di spin che ci si sarebbe aspettati ma sembrano essere disposti in una maniera tale per cui si respingono a vicenda. Gli autori hanno interpretato questa evidenza ipotizzando che tale comportamento renda più stabile la molecola.
Il co-autore Phil Kilby di Data61 ha concluso:
Sebbene sviluppato per questo contesto di chimica, l’algoritmo che abbiamo creato può essere applicato anche a una vasta gamma di aree, dalla selezione del personale ai programmi sanitari per lo scambio di organi
