Benzeno - Depois de 90 anos, cientistas da Austrália desvendam o mistério
Estrutura eletrônica fundamental desse hidrocarboneto possui 126 dimensões
Yu Liu et al
São apenas 12 átomos, mas, quando se leva em conta os elétrons, são 126 dimensões envolvidas
Um dos mistérios fundamentais da Química foi resolvido por pesquisadores de três instituições australianas: The Centre of Excellence in Exciton Science, University of New South Wales, de Sydney (UNSW) e a Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation (CSIRO). O resultado pode ter implicações para projetos futuros de células solares, diodos orgânicos emissores de luz e outras tecnologias da próxima geração.
Desde a década de 1930, a discussão sobre a estrutura eletrônica fundamental do benzeno se alastra nos círculos da Química. Nos últimos anos, a solução deste debate ganhou uma urgência adicional, porque o benzeno - que compreende seis átomos de carbono combinados com seis átomos de hidrogênio - é o alicerce fundamental de muitos materiais optoeletrônicos, que estão revolucionando a energia renovável e a tecnologia de telecomunicações.
O anel hexagonal plano também é um componente do DNA, proteínas, madeira e petróleo.
A controvérsia em torno da estrutura da molécula surgiu porque, embora tenha poucos componentes atômicos, os elétrons existem em um estado que compreende não apenas quatro dimensões – como o nosso cotidiano – mas 126.
A análise de um sistema complexo até agora se mostrava impossível, impedindo que o comportamento preciso dos elétrons do benzeno fosse descoberto. E isso representou um problema porque, sem essa informação, a estabilidade da molécula em aplicações tecnológicas nunca pôde ser totalmente compreendida.
Agora, no entanto, os cientistas liderados por Timothy Schmidt, do Centre of Excellence in Exciton Science e da UNSW, conseguiram desvendar o mistério – e os resultados foram uma surpresa. Eles já foram publicados na revista Nature Communications.
O professor Schmidt, com colegas da UNSW e do CSIRO, aplicou um método complexo baseado em algoritmo chamado Amostragem Dinâmica da Metrópole de Voronoi (DVMS, na sigla em inglês) às moléculas de benzeno, a fim de mapear suas funções de onda em todas as 126 dimensões.
A chave para desvendar o problema complexo foi um novo algoritmo matemático desenvolvido por Phil Kilby, também do CSIRO. O algoritmo permite que o cientista divida o espaço dimensional em “ladrilhos” equivalentes, cada um correspondendo a uma permutação de posições de elétrons.
De particular interesse para os cientistas foi entender a “rotação” dos elétrons. Todos os elétrons têm spin – é a propriedade que produz magnetismo, entre outras forças fundamentais –, mas a maneira como eles interagem entre si está na base de uma ampla gama de tecnologias, desde diodos emissores de luz até computação quântica.
“O que descobrimos foi muito surpreendente: os elétrons que são conhecidos com spin para cima fazem as ligações duplas, enquanto aqueles com spin para baixo fazem as ligações simples e vice-versa”, disse o professor Schmidt.
“Não era isso que os Químicos pensavam sobre o benzeno. Essencialmente, essa configuração reduz a energia da molécula, tornando-a mais estável, obtendo elétrons, que se repelem, fora do caminho um do outro”.
Phil Kilby acrescentou que, “embora desenvolvido para esse contexto químico, o algoritmo que desenvolvemos também pode ser aplicado a uma ampla variedade de áreas”.
Intitulado “The electronic structure of benzene from a tiling of the correlated 126-dimensional wavefunction”, o artigo que tratou deste assunto foi escrito por Yu Liu, Phil Kilby, Terry J. Frankcombe e Timothy W. Schmidt. A íntegra está disponível no site da Nature Communications.
Com informações do The Centre of Excellence in Exciton Science
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