Lösung eines Rätsels in 126 Dimensionen

Nach 90 Jahren decken Wissenschaftler die Struktur von Benzol auf

09.03.2020 - Australien

Eines der grundlegenden Rätsel der Chemie wurde von australischen Wissenschaftlern gelöst - und das Ergebnis könnte Auswirkungen auf zukünftige Designs von Solarzellen, organischen Leuchtdioden und anderen Technologien der nächsten Generation haben.

Seit den 1930er Jahren tobt in Chemiekreisen eine Debatte über die grundlegende Struktur von Benzol. Diese Debatte hat in den letzten Jahren an Dringlichkeit gewonnen, da Benzol - das aus sechs Kohlenstoffatomen besteht, denen sechs Wasserstoffatome zugeordnet sind - das kleinste Molekül ist, das für die Herstellung optoelektronischer Materialien verwendet werden kann, die die erneuerbaren Energien und die Telekommunikationstechnik revolutionieren.

Es ist auch ein Bestandteil von DNA, Proteinen, Holz und Erdöl.

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Die Kontroverse um die Struktur des Moleküls entsteht, weil es, obwohl es nur wenige atomare Bestandteile hat, in einem Zustand existiert, der nicht nur vier Dimensionen umfasst - wie unsere alltägliche "große" Welt - sondern 126.

Die Messung eines so komplexen - und winzigen - Systems hat sich bisher als unmöglich erwiesen, so dass das genaue Verhalten der Benzol-Elektronen nicht entdeckt werden konnte. Und das stellte ein Problem dar, denn ohne diese Informationen könnte die Stabilität des Moleküls in technischen Anwendungen nie ganz verstanden werden.

Nun ist es Wissenschaftlern unter der Leitung von Timothy Schmidt vom ARC Centre of Excellence in Exciton Science und der UNSW Sydney gelungen, das Rätsel zu lösen - und die Ergebnisse waren überraschend.

Professor Schmidt wandte zusammen mit Kollegen von UNSW und Data61 des CSIRO eine komplexe, auf Algorithmen basierende Methode namens Dynamic Voronoi Metropolis Sampling (DVMS) auf Benzolmoleküle an, um ihre Wellenfunktionen über alle 126 Dimensionen abzubilden.

Der Schlüssel zur Entschlüsselung des komplexen Problems war ein neuer mathematischer Algorithmus, der von Co-Autor Dr. Phil Kilby von Data61 des CSIRO entwickelt wurde. Der Algorithmus ermöglicht es dem Wissenschaftler, den dimensionalen Raum in äquivalente "Kacheln" zu unterteilen, die jeweils einer Permutation von Elektronenpositionen entsprechen.

Von besonderem Interesse für die Wissenschaftler war das Verständnis des "Spins" der Elektronen. Alle Elektronen haben einen Spin - es ist die Eigenschaft, die neben anderen fundamentalen Kräften den Magnetismus erzeugt - aber wie sie miteinander wechselwirken, ist die Grundlage einer breiten Palette von Technologien, von Leuchtdioden bis hin zur Quantencomputer-Technologie.

"Was wir gefunden haben, war sehr überraschend", sagte Professor Schmidt. "Die Elektronen mit dem so genannten Up-Spin sind doppelt gebunden, während die mit dem Down-Spin einfach bleiben.

"Das war nicht das, was wir erwartet hatten, aber es könnte eine gute Nachricht für zukünftige technologische Anwendungen sein. Im Wesentlichen reduziert es die Energie des Moleküls und macht es stabiler, indem es Elektronen, die sich gegenseitig abstoßen, aus dem Weg räumt.

Co-Autor Phil Kilby von Data61 fügte hinzu: "Obwohl er für diesen chemischen Kontext entwickelt wurde, kann der von uns entwickelte Algorithmus für das 'Matching with Constraints' auch auf eine Vielzahl von Bereichen angewendet werden, von der Personalbesetzung bis hin zu Nierenaustauschprogrammen.

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