「孜然实验室」90年后，科学家终于揭示了苯的结构

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苯的DVMS结构。 a：RHF/6-31G(d) 波函数的Voronoi位点。任意自旋的电子位置显示为黄色小球。 b：在C–C键电子中， Voronoi位点周围通过波函数的截面显示为蓝色瓣。 C–H键显示为灰色。 C：Voronoi位点显示交错旋转。每个自旋的电子位置分别显示为黄色和绿色小球。 d：c中Voronoi站点周围的横截面。 C–C键电子的两个自旋以蓝色和红色显示。 C–H键显示为灰色。图片：新南威尔士大学
澳大利亚科学家已经解决了化学的基本谜团之一，其结果可能对太阳能电池、有机发光二极管和其他下一代技术的未来设计产生影响。
自1930年代以来，化学界内部就苯的基本结构展开了激烈的争论。近年来辩论变得更加紧迫，因为包含六个碳原子和六个氢原子的苯是可用于生产光电材料的最小分子，这正在彻底改变可再生能源和电信技术。
它也是DNA、蛋白质、木材和石油的成分。
围绕分子结构的争论之所以出现，是因为尽管它的原子成分很少，但它的存在状态不仅有4个维度（如我们日常生活的世界），而是126个维度。
迄今为止，无法测量一个复杂而又微小的系统，这意味着无法发现苯中电子的精确行为。这就是一个问题，因为如果没有这些信息，该分子在技术应用中的稳定性将永远无法被完全理解。
但是，现在，由ARC杰出科学中心的科学家蒂莫西·施密特（Timothy Schmidt）和新南威尔士大学悉尼分校的科学家成功地揭开了谜底，结果令人惊讶。它们现已发表在《自然通讯》杂志上。
施密特教授与来自UNSW和CSIRO Data61的同事一起，对苯分子应用了一种基于算法的复杂方法，称为Dynamic Voronoi Metropolis Sampling（DVMS），以便在所有126个维度上绘制其波函数。

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126维波函数被切成了42个3D图像，每个电子一次。这显示了该图块中的每个电子域。图片：新南威尔士大学
解决复杂问题的关键是由CSIRO Data61的合著者菲尔·基尔比（Phil Kilby）博士开发了一种新的数学算法。该算法允许科学家将维空间划分为等效的“平铺” ，每个平铺对应于电子位置的排列。
科学家特别感兴趣的是理解电子的“自旋” 。所有电子都有自旋（这是产生磁力以及其他基本力的特性），但是它们如何相互作用是从发光二极管到量子计算的广泛技术的基础。
施密特教授说：“我们发现的结果非常令人惊讶。具有自旋向上的电子是双键的，而具有自旋向下的电子则保持单键。
“这不是我们所期望的，但是对于未来的技术应用来说可能是个好消息。从本质上讲，它通过获得电子使彼此排斥，从而降低了分子的能量，使其更加稳定。”
来自Data61的合著者菲尔·基尔比补充说：“尽管针对这种化学背景进行了开发，但我们为’与约束条件匹配’而开发的算法也可以应用于从工作人员名册到肾脏交换计划的广泛领域。 ”
苯的电子结构是争夺电子结构观点的战场，价键理论将电子定位在叠加的共振结构内，而分子轨道理论则描述了离域电子。但是，关于电子结构的轨道解释忽略了波函数在类似自旋的互换时是反对称的。此外，分子轨道不能提供电子相关性的直观描述。在这里，我们证明了苯的126维电子波函数可以通过相似自旋的排列而划分为相关的图块。利用相关的波函数，将这些图块投影到三个
【「孜然实验室」90年后，科学家终于揭示了苯的结构】每个电子的尺寸以揭示Kekulé结构的叠加。但是，相反的旋转有利于占用其他Kekulé结构。该结果简洁地描述了苯中电子相关性的主要作用，并强调当在能量上有利于彼此避免时，电子将不会在空间上配对。