Buzz
Vấn đề khó khăn đã làm cho cộng đồng khoa học gặp nhiều khó khăn suốt nhiều năm, nhưng giờ đây đã có lời giải, mở ra một bước đột phá trong lĩnh vực quang điện tử học.
Vào năm 1825, Michael Faraday đã phát hiện ra sự tồn tại của benzen khi ngưng tụ khí phát sáng. Mặc dù chúng ta đã hiểu rõ cấu trúc nguyên tử của benzen từ lâu, nhưng từ những năm 1930 đến nay, cộng đồng khoa học vẫn tranh luận về cấu trúc electron của benzen.
Khám phá cấu trúc electron của benzen là bước quan trọng, mở ra tiềm năng mới cho ngành phát triển vật liệu trong lĩnh vực quang điện tử học.
Cấu trúc nguyên tử của benzen bao gồm một vòng chứa 6 nguyên tử carbon và 6 nguyên tử hydrogen, kết nối với nhau theo cặp. Tuy nhiên, với 42 electron, việc nghiên cứu cấu trúc electron của benzen gặp phải nhiều khó khăn.
'Hàm mô tả electron của benzen cho thấy có tới 126 chiều', nhà hóa học Timothy Schmidt chia sẻ. 'Điều này có nghĩa là hàm này có tới 126 giá trị tọa độ, 3 giá trị cho mỗi electron trong tổng số 42. Các electron không hoạt động độc lập, vì vậy không thể chia hàm thành 42 hàm 3 chiều riêng lẻ'.
Theo nhà nghiên cứu Schmidt, câu trả lời từ máy tính không dễ hiểu, do đó các nhà khoa học phải tìm cách tự mình giải quyết vấn đề.
Để mô tả cấu trúc electron của benzen, họ phải áp dụng toán học, tính toán đến tất cả 126 chiều. Vấn đề này phức tạp, và lý do cho cuộc tranh luận khoa học kéo dài hàng thập kỷ. Có người còn đặt câu hỏi liệu electron trong benzen có hoạt động để giải quyết bài toán khó này không.
Có hai quan điểm: một nhóm cho rằng benzen tuân theo thuyết hóa trị, với electron hoạt động theo cách thông thường (electron cục bộ hóa, hoạt động trong phạm vi nhất định); nhóm khác cho rằng benzen tuân theo thuyết phân tử vệ tinh, các electron không cố định, vượt ra ngoài giới hạn và tác động lên các nguyên tử xung quanh.
Tuy nhiên, cả hai quan điểm đều không giải thích được cấu trúc electron của benzen.
Vì vậy, cần một phương pháp mới, và kỹ thuật “lấy mẫu động Voronoi Metropolis” đã cung cấp một lối thoát cho các nhà nghiên cứu. Sử dụng các thuật toán mô tả chức năng sóng của hệ thống electron đa điện tử, họ đã giải quyết được bài toán khó này.
Thuật toán mới phân chia các chiều electron thành các sơ đồ Voronoi, với mỗi sơ đồ chỉ ra một tọa độ của electron, cho phép nhóm nghiên cứu vẽ được sơ đồ chức năng sóng của tất cả 126 chiều. Kết quả nghiên cứu đã làm thay đổi suy nghĩ của cộng đồng khoa học về benzen.
Ví dụ về sơ đồ Vonoroi.
Nghiên cứu chỉ ra rằng electron sẽ tránh xa nhau mỗi khi có cơ hội, giảm năng lượng bên trong phân tử, từ đó làm cho cấu trúc của benzen trở nên ổn định hơn.
“Đơn giản, khám phá này liên kết những quan điểm trước đó về tính chất hóa học của benzen, cho thấy rằng hai mô hình hiện có có thể hoàn toàn phù hợp với nhau”, giáo sư Schmidt nói.
“Và hiện nay, chúng tôi cũng đã hiểu cách quan sát tương quan giữa electron - tức là cách mà electron tránh xa nhau. Điều này luôn bị bỏ qua trước đây, khi các tính toán chỉ tập trung vào biến đổi năng lượng, không chú ý đến sự tương tác electron trong phân tử”.
Nghiên cứu mới đã được công bố trên Nature.
Tham khảo ScienceAlert
