分子がマイケルファラデーによって発見されてから約200年後、研究者たちはついにベンゼンの複雑な電子構造を発見しました。
これは、1930年代から激怒している論争を解決するだけでなく、多くがベンゼンに基づく光電子材料の将来の開発に重要な影響を及ぼします。
ベンゼンの原子構造はかなりよく理解されています。 これは、6つの炭素原子と6つの水素原子(各炭素原子に1つずつ)で構成されるリングです。
分子の42個の電子を考えると、これは非常に困難になります。
「ベンゼンの電子を表す数学関数は126次元です」と、オーストラリアのARC Center of Excellence in ExcitonScienceおよびUNSWの化学者TimothySchmidtは述べています。
これは、42個の電子のそれぞれに3つずつ、126個の座標の関数であることを意味します。 電子は独立していないため、これを42の独立した3D関数に分解することはできません。
機械の答えは人間が解釈するのは簡単ではなく、私たちは答えを得る方法を発明しなければなりませんでした。
したがって、これは、ベンゼンの電子構造の数学的記述が126の測定値を考慮に入れなければならないことを意味します。 ご想像のとおり、これは簡単なことではありません。 実際、この複雑さのために、構造を明らかにすることは長い間問題のままであり、それはベンゼン電子がどのように振る舞うかについての論争を引き起こしました。
2つの考え方があります。ベンゼンは、局在化した電子との原子価結合の理論に従います。 または非局在化電子による分子軌道理論。 問題は、それらのどれも完全に正しいようには見えないということです。
「軌道の観点から電子構造を解釈することは、同じスピンを交換するときに波動関数が非対称であることを無視します」と研究者たちは彼らの論文に書いています。 「さらに、分子軌道は電子相関の直感的な説明を提供しません。」
チームの仕事は彼らが最近開発した技術に基づいていました。 これは、ボロノイメトロポリスの動的サンプリングと呼ばれ、アルゴリズムによるアプローチを使用して、多電子システムの波動関数を視覚化します。
これにより、電子ディメンションがVoronoiダイアグラム内の個々のタイルに分割され、各タイルが電子座標に対応するため、チームは126ディメンションすべての波動関数を表示できます。
分子の断面。 (Liuetal。NatureCommunications、2020)
そして、彼らは何か奇妙なものを見つけました。
「回転速度が増加する、いわゆる二重結合を持つ電子。回転速度が減少する単一結合を持つ電子、またはその逆」とシュミット氏は述べた。 「これは、化学者がベンゼンについて考える方法ではありません。」
その結果、電子は有益なときに互いに回避し、分子のエネルギーを減少させ、分子をより安定させます。
「それは基本的に化学的な考え方をまとめ、ベンゼンを説明するために使用する2つの一般的なパラダイムがどのように組み合わされるかを示しています」と彼は言いました。
「しかし、電子相関と呼ばれるものをテストする方法、つまり電子が互いに回避する方法も示します。 これはほとんどの場合、定性的に無視され、電子的な動作ではなく、エネルギーのみが使用される計算にのみ使用されます。
この研究はNatureCommunicationsに掲載されました。
