Bueno, esos locos gatos de química lo han hecho. Casi 200 años después de que la molécula fue descubierto por Michael Faraday, los investigadores finalmente han revelado la compleja estructura electrónica del benceno.
Esto no solo resuelve un debate que ha estado furioso desde la década de 1930, este paso tiene implicaciones importantes para el desarrollo futuro de materiales optoelectrónicos, muchos de los cuales se basan en bencenos.
La estructura atómica del benceno se entiende bastante bien. Es un anillo que consta de seis átomos de carbono y seis átomos de hidrógeno, uno unido a cada uno de los átomos de carbono.
Cuando se vuelve extremadamente complicado es cuando consideramos los 42 electrones de la molécula.
"La función matemática que describe los electrones de benceno es de 126 dimensiones", dijo a ScienceAlert el químico Timothy Schmidt, del Centro de Excelencia ARC en Exciton Science y UNSW Sydney en Australia.
"Eso significa que es una función de 126 coordenadas, tres para cada uno de los 42 electrones. Los electrones no son independientes, por lo que no podemos dividir esto en 42 funciones tridimensionales independientes".
La respuesta calculada por una máquina no es fácil de interpretar por un humano, y tuvimos que inventar una forma de llegar a la respuesta ".
Entonces, eso significa que describir matemáticamente la estructura electrónica del benceno debe tener en cuenta 126 dimensiones. Como puede imaginar, esto no es exactamente algo simple de hacer. De hecho, esta complejidad es la razón por la cual revelar la estructura ha seguido siendo un problema durante tanto tiempo, lo que lleva a debates sobre cómo se comportan los electrones de benceno.
Hay dos escuelas de pensamiento: que el benceno sigue teoría del enlace de valencia, con electrones localizados; o teoría orbital molecular, con electrones deslocalizados. El problema es que ninguno parece encajar.
"La interpretación de la estructura electrónica en términos de orbitales ignora que la función de onda es antisimétrica en el intercambio de giros similares". los investigadores escribieron en su artículo
Sitio de Voronoi que muestra espines electrónicos (izquierda) y secciones transversales del sitio (derecha). (Liu et al. Comunicaciones de la naturaleza, 2020)
El trabajo del equipo se basó en una técnica que desarrollaron recientemente. Se llama muestreo dinámico de Voronoi Metropolis, y utiliza un enfoque algorítmico para visualizar las funciones de onda de un sistema de múltiples electrones.
Esto separa las dimensiones de los electrones en mosaicos separados en un Diagrama de Voronoi, con cada una de las fichas correspondientes a las coordenadas electrónicas, lo que permite al equipo mapear la función de onda de las 126 dimensiones.
Y encontraron algo extraño.
"Los electrones con lo que se conoce como enlace ascendente de doble enlace, donde aquellos con enlace descendente de enlace único y viceversa". Schmidt dijo en un comunicado. "No es así como piensan los químicos sobre el benceno".
El efecto de esto es que los electrones se evitan entre sí cuando es ventajoso hacerlo, reduciendo la energía de la molécula y haciéndola más estable.
"Esencialmente, esto une el pensamiento químico, al mostrar cómo se unen los dos paradigmas predominantes por los cuales describimos el benceno", dijo a ScienceAlert.
"Pero también mostramos cómo inspeccionar lo que se llama correlación electrónica: cómo los electrones se evitan entre sí. Esto casi siempre se ignora cualitativamente, y solo se invoca para cálculos donde solo se usa la energía, no el comportamiento electrónico".
La investigación ha sido publicada en Comunicaciones de la naturaleza.