Quase 200 anos depois que a molécula foi descoberta por Michael Faraday, os pesquisadores finalmente descobriram a complexa estrutura eletrônica do benzeno.
Isso não apenas resolve uma controvérsia que vem ocorrendo desde os anos 1930, mas tem implicações importantes para o futuro desenvolvimento de materiais optoeletrônicos, muitos dos quais são baseados em benzeno.
A estrutura atômica do benzeno é bastante bem compreendida. É um anel composto de seis átomos de carbono e seis átomos de hidrogênio, um para cada átomo de carbono.
Isso se torna extremamente difícil quando consideramos os 42 elétrons de uma molécula.
“A função matemática que descreve os elétrons do benzeno tem 126 dimensões”, disse o químico Timothy Schmidt, do Centro de Excelência em Ciência de Excitons da ARC e da UNSW na Austrália.
Isso significa que é uma função de 126 coordenadas, três para cada um dos 42 elétrons. Os elétrons não são independentes, então não podemos dividir isso em 42 funções 3D independentes.
A resposta computada por máquina não é fácil de interpretar pelo homem, e tivemos que inventar uma maneira de obter a resposta. '
Assim, isso significa que a descrição matemática da estrutura eletrônica do benzeno deve levar em conta 126 medidas. Como você pode imaginar, isso não é uma coisa fácil de fazer. Na verdade, por causa dessa complexidade, descobrir a estrutura permaneceu um problema por tanto tempo que gerou polêmica sobre como os elétrons do benzeno se comportam.
Existem duas escolas de pensamento: o benzeno segue a teoria das ligações de valência com elétrons localizados; ou teoria orbital molecular com elétrons deslocalizados. O problema é que nenhum deles parece estar certo.
“Interpretar a estrutura eletrônica em termos de orbitais ignora que a função de onda é anti-simétrica ao trocar os mesmos spins”, escreveram os pesquisadores em seu artigo. “Além disso, os orbitais moleculares não fornecem uma descrição intuitiva da correlação de elétrons.”
O trabalho da equipe foi baseado em uma técnica desenvolvida recentemente. É chamado de amostragem dinâmica da Metrópole de Voronoi e usa uma abordagem algorítmica para visualizar as funções de onda de um sistema multi-elétron.
Isso divide as dimensões eletrônicas em blocos individuais em um diagrama de Voronoi, onde cada um dos blocos corresponde a coordenadas eletrônicas, permitindo que a equipe exiba a função de onda de todas as 126 dimensões.
Seção transversal de uma molécula. (Liu et al. Nature Communications, 2020)
E eles encontraram algo estranho.
“Elétrons com as chamadas ligações duplas com aumento na velocidade de rotação, enquanto os elétrons com ligações simples diminuem a velocidade de rotação e vice-versa”, disse Schmidt. “Não é assim que os químicos pensam sobre o benzeno.”
Como resultado, os elétrons se evitam quando benéficos, diminuindo a energia da molécula e tornando-a mais estável.
“Basicamente, ele reúne o pensamento químico, mostrando como os dois paradigmas predominantes que usamos para descrever o benzeno se unem”, disse ele.
“Mas também mostramos como testar o que é chamado de correlação de elétrons – como os elétrons se evitam. Isso quase sempre é ignorado qualitativamente e usado apenas para cálculos em que apenas a energia é usada, não o comportamento eletrônico. '
O estudo foi publicado na Nature Communications.
