Científicos revelan la estructura electrónica de una molécula que existe en 126 dimensiones

06.03.2020 a las 22:58 hs 205 1

Bueno, esos gatos locos de la química lo han hecho. Casi 200 años después de que la molécula fuera descubierta por Michael Faraday, los investigadores han revelado finalmente la compleja estructura electrónica del benceno.



Esto no sólo resuelve un debate que se viene desarrollando desde la década de 1930, sino que este paso tiene importantes implicaciones para el futuro desarrollo de los materiales optoelectrónicos, muchos de los cuales están construidos a base de benceno.

La estructura atómica del benceno se comprende bastante bien. Es un anillo que consiste en seis átomos de carbono, y seis átomos de hidrógeno, uno unido a cada uno de los átomos de carbono.




Donde se pone extremadamente difícil es cuando consideramos los 42 electrones de la molécula.


Cita:

"La función matemática que describe los electrones del benceno es de 126 dimensiones",


dijo el químico Timothy Schmidt del Centro de Excelencia en Ciencia de Excitación ARC y UNSW Sydney en Australia
Cita:

"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 manera de llegar a la respuesta."



Así que, eso significa que describir matemáticamente la estructura electrónica del benceno necesita tener en cuenta 126 dimensiones. Como pueden imaginar, esto no es exactamente una cosa sencilla de hacer. De hecho, esta complejidad es la razón por la que revelar la estructura ha seguido siendo un problema durante tanto tiempo, dando lugar a debates sobre cómo se comportan incluso los electrones del benceno.



Hay dos escuelas de pensamiento: que el benceno sigue la teoría del enlace de valencia, con electrones localizados; o la teoría de la órbita molecular, con electrones deslocalizados. El problema es que ninguna de las dos parece encajar.

Cita:

"La interpretación de la estructura electrónica en términos de orbitales ignora que la función de onda es antisimétrica en el intercambio de giros similares", escribieron los investigadores en su trabajo. "Además, los orbitales moleculares no proporcionan una descripción intuitiva de la correlación de los electrones".





El trabajo del equipo se basó en una técnica que desarrollaron recientemente. Se llama muestreo dinámico 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 baldosas separadas en un diagrama de Voronoi, con cada una de las baldosas correspondiendo a las coordenadas de los electrones, permitiendo al equipo mapear la función de onda de las 126 dimensiones.




Y encontraron algo extraño.

Cita:

"Los electrones con lo que se conoce como doble enlace de giro ascendente, mientras que los de giro descendente se unen en un solo enlace, y viceversa", dijo Schmidt en un comunicado. "Así no es como los químicos piensan 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.

Cita:

"Esencialmente, esto une el pensamiento químico, mostrando cómo los dos paradigmas predominantes por los que describimos el benceno se unen"



Cita:

"Pero también mostramos cómo inspeccionar lo que se llama correlación de electrones - cómo los electrones se evitan entre sí. Esto casi siempre es ignorado cualitativamente, y sólo se invoca para los cálculos en los que sólo se utiliza la energía, no el comportamiento electrónico".



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