Près de 200 ans après la découverte de la molécule par Michael Faraday, les chercheurs ont enfin découvert la structure électronique complexe du benzène.
Cela résout non seulement une controverse qui fait rage depuis les années 1930, mais a des implications importantes pour le développement futur des matériaux optoélectroniques, dont beaucoup sont à base de benzène.
La structure atomique du benzène est assez bien comprise. C'est un anneau composé de six atomes de carbone et de six atomes d'hydrogène, un pour chaque atome de carbone.
Cela devient extrêmement difficile lorsque l'on considère les 42 électrons d'une molécule.
“La fonction mathématique décrivant les électrons du benzène est de 126 dimensions”, a déclaré le chimiste Timothy Schmidt du Centre d'excellence de l'ARC en science de l'exciton et UNSW 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 3D indépendantes.
La réponse calculée par machine n'est pas facile à interpréter par l'homme, et nous avons dû inventer un moyen d'obtenir la réponse.
Ainsi, cela signifie que la description mathématique de la structure électronique du benzène doit prendre en compte 126 mesures. Comme vous pouvez l'imaginer, ce n'est pas une chose facile à faire. En fait, en raison de cette complexité, la découverte de la structure est restée un problème pendant si longtemps qu'elle a conduit à une controverse sur le comportement des électrons de benzène.
Il existe deux écoles de pensée: le benzène suit la théorie des liaisons de valence avec des électrons localisés; ou théorie des orbitales moléculaires avec des électrons délocalisés. Le problème est qu'aucun d'entre eux ne semble avoir raison.
“L'interprétation de la structure électronique en termes d'orbitales ne tient pas compte du fait que la fonction d'onde est antisymétrique lors de l'échange des mêmes spins”, ont écrit les chercheurs dans leur article. “De plus, les orbitales moléculaires ne fournissent pas une description intuitive de la corrélation électronique.”
Le travail de l'équipe était basé sur une technique qu'ils ont récemment développée. Il est appelé échantillonnage dynamique de la métropole de Voronoi et utilise une approche algorithmique pour visualiser les fonctions d'onde d'un système multi-électrons.
Cela divise les dimensions électroniques en tuiles individuelles dans un diagramme de Voronoi, où chacune des tuiles correspond à des coordonnées électroniques, permettant à l'équipe d'afficher la fonction d'onde de toutes les 126 dimensions.
Coupe transversale d'une molécule. (Liu et al. Nature Communications, 2020)
Et ils ont trouvé quelque chose d'étrange.
“Electrons avec des soi-disant doubles liaisons avec une augmentation de la vitesse de rotation, où les électrons avec des liaisons simples avec une diminution de la vitesse de rotation, et vice versa”, a déclaré Schmidt. “Ce n'est pas ainsi que les chimistes pensent du benzène.”
En conséquence, les électrons s'évitent les uns les autres lorsqu'ils sont bénéfiques, ce qui diminue l'énergie de la molécule et la rend plus stable.
«Il rassemble essentiellement la pensée chimique, montrant comment les deux paradigmes dominants que nous utilisons pour décrire le benzène se rejoignent», a-t-il déclaré.
«Mais nous montrons également comment tester ce qu'on appelle la corrélation électronique – comment les électrons s'évitent. Ceci est presque toujours ignoré qualitativement et utilisé uniquement pour des calculs où seule l'énergie est utilisée, pas le comportement électronique.
La recherche a été publiée dans Nature Communications.
