V dnešnej dobe si myslíme, že opísanie molekúl známych chemických zlúčenín je dobre zmapované. Avšak, nie je to vždy tak. Ako dobrý príklad môžeme uviesť molekulu benzénu. Tá až doteraz zmapovaná nebola, čo ale teraz vedci zmenili.
Je skutočne pozoruhodné, že až po takmer 200 rokoch, odkedy Michael Faraday izoloval benzén ako čistú látku, teraz vedci konečne odhalili zložitú elektronickú štruktúru tejto zlúčeniny. Téme sa venoval portál Science Alert.
Štruktúra benzénu
Atómová štruktúra benzénu je celkom dobre pochopená. Je to v podstate kruh pozostávajúci zo šiestich atómov uhlíka a šiestich atómov vodíka, z ktorých je každý vodík naviazaný na uhlík. Problém nastáva vtedy, ak vezmeme do úvahy aj 42 elektrónov molekuly benzénu.
„Matematická funkcia, ktorá popisuje benzénové elektróny, je 126-rozmerná,“ povedal pre Science Alert Timothy Schmidt z austrálskej univerzity UNSW v Sydney a pokračuje: „To znamená, že je to funkcia so 126 súradnicami, tri pre každých 42 elektrónov. Elektróny nie sú nezávislé, takže výpočty nemôžeme rozdeliť na 42 nezávislých trojrozmerných funkcií. Odpoveď vypočítaná strojovo nie je pre človeka jednoducho interpetovateľná, a tak sme museli vymyslieť spôsob, ako sa dostať k zrozumiteľným výsledkom.“
Znamená to, že pri matematickom opise elektronickej štruktúry benzénu museli brať do úvahy až 126 rozmerov. To je, samozrejme, extrémne náročné, čo bol aj dôvodo, prečo odhalenie štruktúry benzénu trvalo tak dlho a to viedlo k diskusiám, ako sa benzénové elektróny vlastne správajú.
Dve teórie správania sa elektrónov benzénu
Existujú dva názory, ako elektróny v benzéne fungujú. Jedna z nich sa zameriava na teóriu valenčných väzieb s lokalizovanými elektrónmi a druhá na teóriu molekulárnej orbitálnej dráhy s delokalizovanými elektrónmi. Problémom týchto teórií ale je, že žiadna z nich neprináša komplexné odpovede.
Prvá totiž ignoruje, že vlnová dĺžka je po zmene otáčok (spinov) antisymetrická a druhá, že molekulárne orbitaly neposkytujú intuitívny opis korelácie elektrónov.
Nová technika
Tím vedcov tak k celému problému musel pristúpiť po svojom. Pracovali na základe techniky, ktorú len nedávno vyvinuli. Nazýva sa Dynamic Voronoi Metropolis Sampling a používa algoritmy na vizualizáciu vlnových funkcií s viacerými elektrónmi.
Rozdelili tak elektróny do jednotlivých skupín, ktoré zodpovedali elektrónovým súradniciam ato im umožnilo zmapovať všetky rozmery.
„Elektróny s up-spinom v dvojitých väzbách sa objavujú tam, kde sú elektróny s down-spinom v jednoduchých väzbách“ uviedol Schmidt. Zistili tak, že elektróny sa navzájom vyhýbajú vtedy, keď je to výhodné, čím znižujú energiu molekuly, no zvyšujú jej stabilitu. To je niečo, čo si chemici o benzéne nemysleli.
Nahlásiť chybu v článku