Les scientifiques viennent de révéler la structure électronique d'une molécule qui existe en 126 dimensions

Les scientifiques viennent de révéler la structure électronique d'une molécule qui existe en 126 dimensions

 

Eh bien, ces chats de chimie fous l’ont fait. Près de 200 ans après la découverte de la molécule par Michael Faraday , les chercheurs ont enfin révélé la structure électronique complexe du benzène.

 

Non seulement cela règle un débat qui fait rage depuis les années 1930, mais cette étape a des implications importantes pour le développement futur des matériaux optoélectroniques, dont beaucoup sont construits sur des benzènes.

La structure atomique du benzène est assez bien comprise. C’est un cycle composé de six atomes de carbone et de six atomes d’hydrogène, un attaché à chacun des atomes de carbone.

Là où cela devient extrêmement délicat, c’est quand on considère les 42 électrons de la molécule.

“La fonction mathématique qui décrit les électrons du benzène est de 126 dimensions”, a déclaré à ScienceAlert le chimiste Timothy Schmidt du Centre d’excellence ARC en science d’Exciton et UNSW Sydney en Australie.

“Cela signifie que c’est une fonction de 126 coordonnées, trois pour chacun des 42 électrons. Les électrons ne sont pas indépendants, nous ne pouvons donc pas le décomposer en 42 fonctions tridimensionnelles indépendantes.

[19459001 ] La réponse calculée par une machine n’est pas facile à interpréter par un humain, et nous avons dû inventer un moyen de trouver la réponse. ”

Cela signifie donc que la description mathématique de la structure électronique du benzène doit prendre en compte 126 dimensions. Comme vous pouvez l’imaginer, ce n’est pas exactement une chose simple à faire. En fait, cette complexité est la raison pour laquelle la révélation de la structure est restée un problème pendant si longtemps, conduisant à des débats sur la façon dont les électrons du benzène se comportent même.

Il existe deux écoles de pensée: le benzène suit la théorie des liaisons de valence , avec des électrons localisés; ou théorie orbitale moléculaire , avec des électrons délocalisés. Le problème est que ni l’un ni l’autre ne semble vraiment correspondre.

“L’interprétation de la structure électronique en termes d’orbitales ignore que la fonction d’onde est antisymétrique lors de l’échange de spins similaires”, ont écrit les chercheurs dans leur article . “En outre, les orbitales moléculaires ne fournissent pas une description intuitive de la corrélation électronique.”

voronoi benzene Site de Voronoi montrant les spins d’électrons (à gauche) et des coupes transversales du site (à droite). (Liu et al. Nature Communications, 2020)

Le travail de l’équipe était basé sur une technique qu’ils avaient récemment développée. Il s’appelle échantillonnage dynamique de Voronoi Metropolis , et il utilise une approche algorithmique pour visualiser les fonctions d’onde d’un système à électrons multiples.

Ceci sépare les dimensions des électrons en tuiles séparées dans un diagramme de Voronoi , chacune des tuiles correspondant aux coordonnées des électrons, permettant à l’équipe de cartographier la fonction d’onde des 126 dimensions.

Et ils ont trouvé quelque chose d’étrange.

“Les électrons avec ce qui est connu sous le nom de double liaison montante, où ceux avec la simple liaison descendante, et vice versa”, Schmidt a déclaré dans un communiqué . “Ce n’est pas ainsi que les chimistes pensent du benzène.”

Ceci a pour effet que les électrons s’évitent quand il est avantageux de le faire, réduisant l’énergie de la molécule et la rendant plus stable.

“Essentiellement, cela unit la pensée chimique, en montrant comment les deux paradigmes dominants par lesquels nous décrivons le benzène se rejoignent”, a-t-il déclaré à ScienceAlert.

“Mais nous montrons également comment inspecter ce qu’on appelle la corrélation d’électrons – comment les électrons s’évitent. Ceci est presque toujours ignoré qualitativement, et uniquement invoqué pour les calculs où seule l’énergie est utilisée, pas le comportement électronique . ”

La recherche a été publiée dans Nature Communications .

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