Cząsteczka benzenu stanowi zagadkę od ponad wieku. Chemikom w końcu udało się znaleźć rozwiązanie

Cząsteczka benzenu jest niezwykle ważna w chemii, można ją spotkać wszędzie w biologii, została wykryta nawet w kosmosie. Jednak sposób, w jaki elektrony wchodzą w interakcje, pozostaje tajemnicą od ponad wieku.

Tajemnica elektronów

Wydaje się, że chemikom w końcu udało się znaleźć rozwiązanie, a naukowcy stworzyli funkcję matematyczną o 126 wymiarach. Nie oznacza to jednak, że elektrony benzenu istnieją w 126 wymiarach.

By zrozumieć, w jaki sposób elektrony cząsteczki benzenu wchodzą w interakcje jako całość, konieczne było stworzenie funkcji matematycznej uwzględniającej zachowanie każdego elektronu w naszym trójwymiarowym świecie. Benzen ma 42 elektrony, więc 42 razy trzy wymiary daje nam 126.

Cząsteczka benzenu

Cząsteczka benzenu jest bardzo ważna, choć z łatwością ją sobie można wyobrazić. Sześć atomów węgla jest umieszczone w sześciokątnym pierścieniu, a do każdego z tych atomów węgla dołączony jest atom wodoru.

Atomy węgla są bardzo przyjazne i mogą wiązać się z maksymalnie czterema innymi atomami, ale w benzenie węgiel ma miejsce tylko na trzy inne atomy, więc jedno z wiązań między atomami węgla jest podwójne.

Wiązania

Naukowcy zastanawiali się, co dzieje się z elektronami w tym podwójnym wiązaniu. Elektrony mają ten sam ładunek (ujemny), więc odpychają się nawzajem, co sprawia, że nie jest łatwo utrzymać je blisko siebie.

Do tej pory analiza tego układu nie była możliwa, więc dokładne zachowanie elektronów w benzenie nie było znane, a tym samym nie udało się w pełni zrozumieć stabilności cząsteczki w zastosowaniach technologicznych.

Rozwiązanie zagadki

Jak donosi Nature Communications, zespół odkrył, że zgodność lub spór między wspólnymi elektronami doprowadził ich do stworzenia trójwymiarowej konfiguracji, która ma niższą energię – będą się unikać, jeśli bliskość innego elektronu zużyje zbyt dużo energii.

Rozwiązanie zagadki było możliwe dzięki wyrafinowanemu algorytmowi, który tworzył „kafelki” dla każdej zmiany w konfiguracji elektronów, umożliwiając mapowanie funkcji falowej wszystkich 126 wymiarów.

To, co odkryliśmy, było bardzo zaskakujące. Nie tak chemicy myślą o benzenie. Zasadniczo zmniejsza energię molekuły, czyniąc cząstkę bardziej stabilną i pozbywając się elektronów, które odpychają się nawzajem. – powiedział profesor Timothy Schmidt z University of New South Wales

Zastosowanie

Rozwiązanie pomoże dopracować nasze teoretyczne rozumienie nie tylko benzenu, ale także pierścieni węglowych, które są ważne w wielu rozwiązaniach, jak choćby grafen. Z kolei współautor uważa, że oprogramowanie „dopasowujące się do ograniczeń” może mieć zastosowania poza chemią – od dyżurów personelu po programy wymiany nerek.