Benzeno em 126 dimensões

Cientistas australianos descreveram recentemente uma molécula química que há muito os fascina. Acredita-se que o resultado da pesquisa terá um impacto sobre novos designs de células solares, diodos emissores de luz orgânicos e outras tecnologias de próxima geração nas quais, ao que parece, o benzeno pode ser usado.

O benzeno é um composto químico orgânico. É o hidrocarboneto carbocíclico aromático neutro mais simples. Faz parte do DNA, proteínas, madeira e óleo. O problema da construção do benzeno tem despertado o interesse dos químicos desde que esse composto foi rompido. Em 1865, o químico alemão Friedrich August Kekulé formulou a hipótese de que o benzeno é um ciclohexatrieno com um anel hexagonal no qual ligações simples e duplas alternam entre os átomos de carbono.

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Tem havido um debate nos círculos químicos sobre a estrutura da molécula de benzeno desde a década de 1930. Esse debate se intensificou nos últimos anos porque o benzeno, composto por seis átomos de carbono combinados com seis átomos de hidrogênio, é a menor molécula conhecida que pode ser usada na fabricação de materiais optoeletrônicos, área pioneira da tecnologia.
A controvérsia sobre a estrutura de uma molécula surge porque, embora tenha poucos constituintes atômicos, ela existe em um estado que não é matematicamente descrito pelas três ou mesmo quatro dimensões (incluindo o tempo) que conhecemos por experiência, mas até 126 dimensões. De onde veio esse número? Cada um dos 42 elétrons em uma partícula é descrito em três dimensões e, se você multiplicá-los pelo número de partículas, obtém 126. Portanto, essas dimensões não são reais, mas matemáticas. A medição desse sistema complexo e muito pequeno se mostrou impossível até agora, de modo que o comportamento exato dos elétrons no benzeno não era conhecido. E isso foi um problema, porque sem essa informação nunca será possível descrever completamente a durabilidade da molécula em aplicações técnicas.
Agora, no entanto, cientistas que trabalham com Timothy Schmidt do ARC Centre of Excellence in Exciton Science e da University of New South Wales em Sydney, sob a direção de Timothy Schmidt, conseguiram resolver esse mistério. Junto com colegas da UNSW e CSIRO Data61, ele aplicou um método complexo baseado em algoritmo chamado Voronoi Metropolis Dynamic Sampling (DVMS) para moléculas de benzeno para mapear suas funções de forma de onda em todas as 126 dimensões. Este algoritmo permite a divisão do espaço dimensional em "blocos", cada um correspondendo às permutações das posições dos elétrons. Os resultados desses estudos foram publicados na revista "Nature Communications". De particular interesse para os cientistas foi a compreensão do spin do elétron. “O que descobrimos foi muito surpreendente”, observa o professor Schmidt na publicação. “Os elétrons na dupla ligação do carbono com spin para cima combinados em configurações tridimensionais com menos energia. Isso reduz significativamente a energia da molécula e torna a molécula mais estável graças aos elétrons repelindo e evadindo. A estabilidade das partículas, por sua vez , é um recurso desejável em aplicativos técnicos.