בנזן ב-126 מידות
מדענים אוסטרלים תיארו לאחרונה מולקולה כימית שמשכה זמן רב את תשומת לבם. מאמינים שממצאי המחקר משפיעים על עיצובים חדשים עבור תאים סולאריים, דיודות פולטות אור אורגניות וטכנולוגיות אחרות מהדור הבא המשתמשות בבנזן.
בנזן תרכובת כימית אורגנית מקבוצת הארנים. זהו הפחמימן הארומטי הניטראלי הפחמימני הפשוט ביותר. זהו, בין היתר, מרכיב של DNA, חלבונים, עץ ושמן. כימאים התעניינו בבעיית המבנה של בנזן מאז בידוד התרכובת. בשנת 1865, הכימאי הגרמני פרידריך אוגוסט קקולה שיער כי בנזן הוא ציקלוהקסטריאן בעל שישה איברים שבו קשרים בודדים וכפולים מתחלפים בין אטומי פחמן.
מאז שנות ה-30 של המאה ה-XNUMX קיים ויכוח בחוגים כימיים על מבנה מולקולת הבנזן. הדיון הזה קיבל דחיפות נוספת בשנים האחרונות מכיוון שבנזן, המורכב משישה אטומי פחמן הקשורים לשישה אטומי מימן, הוא המולקולה הקטנה ביותר הידועה שניתן להשתמש בה בייצור אופטואלקטרוניקה, תחום של טכנולוגיה עתידית. .
המחלוקת סביב מבנה המולקולה מתעוררת מכיוון שלמרות שיש לה מעט רכיבים אטומיים, היא קיימת במצב המתואר מתמטי שלא בשלושה או אפילו בארבעה ממדים (כולל זמן), כפי שאנו יודעים מניסיוננו, אלא עד 126 גדלים.
מאיפה הגיע המספר הזה? לכן, כל אחד מ-42 האלקטרונים המרכיבים מולקולה מתואר בתלת מימד, והכפלתם במספר החלקיקים נותנת בדיוק 126. אז אלו אינן מדידות אמיתיות, אלא מתמטיות. מדידת המערכת המורכבת והקטנה הזו התבררה עד כה כבלתי אפשרית, כלומר לא ניתן היה לדעת את ההתנהגות המדויקת של האלקטרונים בבנזן. וזו הייתה בעיה מכיוון שללא המידע הזה אי אפשר יהיה לתאר במלואו את היציבות של המולקולה ביישומים טכניים.
עם זאת, כעת הצליחו מדענים בראשות טימותי שמידט ממרכז המצוינות של ARC במדע אקסיטון ומאוניברסיטת ניו סאות' ויילס בסידני לפענח את התעלומה. יחד עם עמיתים מ-UNSW ו-CSIRO Data61, הוא יישם שיטה מורכבת מבוססת אלגוריתמים בשם Voronoi Metropolis Dynamic Sampling (DVMS) על מולקולות בנזן כדי לתאם את פונקציות אורך הגל שלהן בכל 126 גדלים. אלגוריתם זה מאפשר לחלק את המרחב הממדי ל"אריחים", שכל אחד מהם מתאים לתמורות של מיקומי אלקטרונים. תוצאות מחקר זה פורסמו בכתב העת Nature Communications.
עניין מיוחד למדענים היה הבנת הספין של אלקטרונים. "מה שמצאנו היה מאוד מפתיע", אומר פרופסור שמידט בפרסום. "האלקטרונים הספינים בפחמן מקושרים על ידי קשרים כפולים לתצורות תלת מימדיות באנרגיה נמוכה יותר. בעיקרו של דבר, זה מוריד את האנרגיה של המולקולה, מה שהופך אותה ליציבה יותר בגלל האלקטרונים הדוחים ומתרחקים". היציבות של המולקולה, בתורה, היא מאפיין רצוי ביישומים הנדסיים.
ראה גם:
