Benzol in 126 Dimensionen

Australische Wissenschaftler haben kürzlich ein chemisches Molekül beschrieben, das sie seit langem fasziniert. Es wird angenommen, dass das Ergebnis der Forschung einen Einfluss auf neue Designs von Solarzellen, organischen Leuchtdioden und anderen Technologien der nächsten Generation haben wird, in denen Benzol, wie sich herausstellt, verwendet werden kann.

Benzol ist eine organisch-chemische Verbindung. Es ist der einfachste carbocyclische, neutrale aromatische Kohlenwasserstoff. Es ist ein Bestandteil von DNA, Proteinen, Holz und Öl. Das Problem der Konstruktion von Benzol ist für Chemiker von Interesse, seit diese Verbindung abgetrennt wurde. Im Jahre 1865 stellte der deutsche Chemiker Friedrich August Kekulé die Hypothese auf, dass Benzol ein Cyclohexatrien mit einem hexagonalen Ring ist, in dem sich Einfach- und Doppelbindungen zwischen den Kohlenstoffatomen abwechseln.

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Seit den 1930er Jahren gibt es in chemischen Kreisen eine Debatte über die Struktur des Benzolmoleküls. Diese Debatte hat sich in den letzten Jahren verschärft, weil Benzol, das aus sechs Kohlenstoffatomen in Verbindung mit sechs Wasserstoffatomen besteht, das kleinste bekannte Molekül ist, das für die Herstellung optoelektronischer Materialien, einem zukunftsweisenden Technologiebereich, verwendet werden kann.
Die Kontroverse um die Struktur eines Moleküls entsteht, weil es, obwohl es nur wenige atomare Bestandteile hat, in einem Zustand existiert, der mathematisch nicht durch die drei oder sogar vier Dimensionen (einschließlich der Zeit) beschrieben wird, die wir aus unserer Erfahrung kennen, sondern durch bis zu 126 Dimensionen. Woher kam diese Zahl? Jedes der 42 Elektronen in einem Teilchen wird in drei Dimensionen beschrieben, und wenn man sie mit der Anzahl der Teilchen multipliziert, erhält man 126. Es handelt sich also nicht um reale, sondern um mathematische Dimensionen. Die Messung dieses komplexen und sehr kleinen Systems hat sich bisher als unmöglich erwiesen, so dass das genaue Verhalten der Elektronen in Benzol nicht bekannt war. Und das war ein Problem, denn ohne diese Informationen wird es nie möglich sein, die Haltbarkeit des Moleküls in technischen Anwendungen vollständig zu beschreiben.
Nun aber ist es Wissenschaftlern um Timothy Schmidt vom ARC Centre of Excellence in Exciton Science und der University of New South Wales in Sydney unter der Leitung von Timothy Schmidt gelungen, dieses Rätsel zu lüften. Zusammen mit Kollegen von UNSW und CSIRO Data61 wandte er eine komplexe, auf Algorithmen basierende Methode namens Voronoi Metropolis Dynamic Sampling (DVMS) auf Benzolmoleküle an, um deren Wellenformfunktionen in allen 126 Dimensionen abzubilden. Dieser Algorithmus ermöglicht die Aufteilung des dimensionalen Raums in "Kacheln", die jeweils den Permutationen der Elektronenpositionen entsprechen. Die Ergebnisse dieser Studien wurden in der Zeitschrift "Nature Communications" veröffentlicht. Von besonderem Interesse für die Wissenschaftler war das Verständnis des Elektronenspins. "Was wir entdeckt haben, war sehr überraschend", bemerkt Professor Schmidt in der Publikation. "Die Elektronen in der Kohlenstoff-Doppelbindung mit dem Spin nach oben kombiniert in dreidimensionalen Konfigurationen mit weniger Energie. Dadurch wird die Energie des Moleküls wesentlich reduziert und das Molekül dank der abstoßenden und ausweichenden Elektronen stabiler gemacht. Die Partikelstabilität wiederum ist ein wünschenswertes Merkmal bei technischen Anwendungen.