Estrutura do benzeno é desvendada: Em 126 dimensões

Redação do Site Inovação Tecnológica - 09/03/2020

São apenas 12 átomos, mas, quando se leva em conta os elétrons, são 126 dimensões envolvidas.
[Imagem: Yu Liu et al. - 10.1038/s41467-020-15039-9]

Estrutura do benzeno

Um dos mistérios fundamentais da química foi resolvido por cientistas australianos.

E o resultado pode ter implicações para futuros projetos de células solares, LEDs orgânicos e outras tecnologias da próxima geração de componentes fotônicos.

Sem contar que o benzeno - formado por seis átomos de carbono combinados com seis átomos de hidrogênio - também é um componente do DNA, das proteínas, da madeira e do petróleo.

O debate sobre a estrutura fundamental do benzeno se desenrola desde a década de 1930, porque, embora tenha poucos átomos, ele existe em um estado que compreende não apenas quatro dimensões - como o nosso mundo cotidiano - mas 126 dimensões.

E esse debate ganhou um quê de urgência nos últimos anos porque o benzeno é a menor molécula que pode ser usada na produção de materiais optoeletrônicos, que estão revolucionando as energias renováveis e a tecnologia de telecomunicações.

Medir um sistema tão complexo e tão pequeno vinha se mostrando impraticável, o que significa que ninguém sabia ao certo o comportamento preciso dos elétrons do benzeno. E isso representa um problema porque, sem essa informação, a estabilidade da molécula em aplicações tecnológicas nunca poderia ser totalmente compreendida, limitando o projeto de novos componentes.

Uma imagem de como o "ladrilho" função de onda de 126 dimensões é cortado em três dimensões 42 vezes, uma para cada elétron. Isso mostra o domínio de cada elétron nesse ladrilho.
[Imagem: Yu Liu et al. - 10.1038/s41467-020-15039-9]

Mapeando dimensões

Yu Liu e seus colegas da Universidade de Nova Gales do Sul conseguiram desvendar o mistério do benzeno usando um método baseado em um algoritmo chamado amostragem dinâmica da Metrópole de Voronoi - diagramas de Voronoi [Georgy F. Voronoy (1868-1908)] são usados para decompor um espaço com base na distância entre seus objetos constituintes.

O algoritmo permitiu dividir o espaço dimensional em "ladrilhos", cada um correspondendo a uma permutação nas posições dos elétrons, o que possibilitou mapear as funções de onda das moléculas de benzeno em todas as 126 dimensões.

"O que descobrimos foi muito surpreendente," contou o professor Timothy Schmidt. "Os elétrons com o que é conhecido como spin para cima têm ligações duplas, enquanto aqueles com spin para baixo permanecem únicos. Não era o que esperávamos, mas isso pode ser uma boa notícia para futuras aplicações tecnológicas. Essencialmente, isso reduz a energia da molécula, tornando-a mais estável ao tirar elétrons, que se repelem mutuamente, fora do caminho uns dos outros."

Todos os elétrons têm spin - é a propriedade que produz o magnetismo, entre outras forças fundamentais - mas o modo como eles interagem entre si fundamenta uma ampla gama de tecnologias, dos diodos emissores de luz (LEDs) até a computação quântica.

E a pesquisa pode ter outros usos inesperados.

"Embora tenha sido desenvolvido para esse contexto químico, o algoritmo que desenvolvemos, para 'combinar com restrições', também pode ser aplicado a uma ampla variedade de áreas, desde listagem de funcionários até programas de doação de rins," disse Liu.

Bibliografia:

Artigo: The electronic structure of benzene from a tiling of the correlated 126-dimensional wavefunction
Autores: Yu Liu, Phil Kilby, Terry J. Frankcombe, Timothy W. Schmidt
Revista: Nature Communications
Vol.: 11, Article number: 1210
DOI: 10.1038/s41467-020-15039-9