化学家终于搞清了苯环上的电子结构

majer @ 2020.03.10 , 11:00

好吧，疯狂的化学佬立功了。在迈克尔·法拉第(Michael Faraday)发现苯分子近200年后(凯库勒发现的是苯环分子结构)，研究人员终于厘清了它复杂的电子结构。

这不仅解决了自1930年以来一直在进行中的激烈争论，而且对光电子材料的未来发展具有重要意义，因为许多光电子材料都是基于苯分子的。

众所周知，苯分子是由6个碳原子和6个氢原子组成的环。当需要我们考虑分子上42个电子的性态时，问题就变得异常棘手。

“描述苯电子的数学函数有126维，” ARC激子科学卓越中心和澳大利亚新南威尔士大学悉尼分校的化学家Timothy Schmidt告诉ScienceAlert，“这意味着它是建立在126个坐标轴上的函数，每个电子具有3参数。电子不是独立的，因此我们不能将其分解为42个独立的三维函数。”

因此，从数学上描述苯的电子结构需要考虑126个维度。可以想象，这并不是一件容易的事。实际上，这种复杂性就是导致化学家争论的原因——既然无法从根本理论上推导出结果，就有了人为提出可能假说的空间。

当前有两种观点：其一，苯遵循价键理论，具有局部电子；其二，分子轨道理论，苯带有离域电子。问题是，两者似乎都有解释不清的地方。

研究人员在论文中写道：“用轨道理论解释电子结构忽略了其波函数在类似自旋交换反对称的的特性。此外，分子轨道不能提供电子相关性的直观描述。”

他们的团队基于其最近开发的技术——被称为动态Voronoi Metropolis采样——使用一种算法来实现多电子系统波函数的可视化。

这样可以将电子在Voronoi图中分成单独的磁贴，每个磁贴对应于电子坐标，从而使研究小组绘制出所有126个维的波函数。

他们发现了一些奇怪的东西。

论文中提及：“即存在上旋双键的电子，也存在下旋单键的电子，反之亦然。超乎化学家对苯的通常认知。”

这样的效果是，在有利的情况下，电子会相互避开，从而降低分子的能量，使分子更稳定。

该研究已发表在《自然·通讯》上。

本文译自 sciencealert，由译者 majer 基于创作共用协议(BY-NC)发布。