Sciencemag.cz
Doporučujeme
126 dimenzí vlnové funkce elektronů v aromatickém kruhu.
Málo molekul je prozkoumáno tak detailně jako benzen, i zde však je stále co objevovat. Vědci z několika institucí (Exciton Science, UNSW a CSIRO) nyní tvrdí, že jejich studie přináší z hlediska výzkumu struktury benzenu největší novinky za posledních 90 let.
Takže první podivnost, autoři výzkumu tvrdí, že elektrony v molekule benzenu existují ve 126 dimenzích – respektive jejich stav dokážeme kompletně popsat ne méně než těmi 126 parametry. Proč zrovna toto číslo? Zřejmě: Vlnová funkce všech elektronů jako celku je součinem tří rozměrů a počtu elektronů (6 x 6 za uhlík + 6 za vodík, u uhlíku započítáváme tedy nejen valenční elektrony).
Takový systém až dosud nikdo nezvládl výpočetně; kompletní popis elektronů přitom mj. může určovat i to, zda je v dané situaci molekula benzenu vůbec stabilní. Timothy Schmidt, Phil Kilby a jejich kolegové nyní ve studii publikované v Nature Communications tvrdí, že přišli s metodou umožňující zmapovat příslušnou vlnovou funkci; má jít o tzv. algoritmus DVMS (dynamic Voronoi Metropolis sampling). V zásadě je to způsob, jak mnohodimenzionální prostor rozdělit a počítat jednotlivé „výseky“ odděleně.
Opravdu šokující má být následující závěr studia elektronů v benzenu: elektrony tvořící dvojné vazby mají spin jednoho typu, elektrony v jednoduchých vazbách opačně. Tímto způsobem se prý navzájem se odpuzující elektrony od sebe maximálně vzdálí, „jsou si z cesty“ a celková energie molekuly se sníží (PH: ? jak souvisí spin a vzdálenost/elektromagnetické působení). Teď se ovšem zbývá autorů výzkumu zeptat, jak to vlastně myslí – vždyť ve škole se učíme, že benzen právě není molekula, kde by se jednoduché a dvojné vazby střídaly, ale molekula s identickými „jedenapůltými“ vazbami a delokalizovanými Pí elektrony. Což se projevuje třeba tím, že na rozdíl od alkenů s dvojnou vazbou na benzenu neprobíhá nukleofilní adice (např. sloučení s chlorem za zániku dvojné vazby). Jak potom závěry studie máme vůbec chápat?
Výsledky by mohly podle autorů přitom mít i praktický význam, protože molekuly na bázi benzenu se používají např. v solárních článcích a dalších optoelektronických aplikacích.
Navíc se jako cenný může ukázat i příslušný algoritmus, protože by měl usnadnit výpočty v systémech s velkým počtem dimenzí.
Yu Liu et al. The electronic structure of benzene from a tiling of the correlated 126-dimensional wavefunction, Nature Communications (2020). DOI: 10.1038/s41467-020-15039-9
Zdroj: ARC Centre of Excellence in Exciton Science/Phys.org
Nyní obrázek toho, jak má vlastně vlnová funkce vypadat. Verze a) a b) je „normální benzen“, elektrony mají náhodné spiny. Verze c) a d) je výpočet vlnové funkce podle metody DVMS. Žluté a zelené tečky vyjadřují spiny opačné orientace. Na pohled to nedává moc smysl (trojné vazby), nicméně kolem uhlíku jsou asi znázorněny i nevalenční elektrony. Credit: Nature Communications (2020). DOI: 10.1038/s41467-020-15039-9
Pro zájemce: původní studie je na Nature k dispozici ve formě open access.
