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90年后,科学家揭示了苯的结构

诸平

 

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Fig. 1 DVMS structures for benzene. a Voronoi site for the RHF/6-31G(d) wavefunction. The electron positions of an arbitrary spin are shown as small yellow spheres. b Cross sections through the wavefunction around the Voronoi site in a C–C bonding electrons are shown as blue lobes. C–H bonds are shown in grey. c. Voronoi site showing staggered spins. The electron positions of each spin are respectively shown as small yellow and green spheres. d. Cross sections around the Voronoi site in c. The two spins of the C–C bonding electrons are shown in blue and red. C–H bonds are shown in grey. Credit: Nature Communications (2020). DOI: 10.1038/s41467-020-15039-9

苯的结构是一名不知名的奥地利中学教师约瑟夫·劳施密特(JosefLoschmidt in full Johann Joseph Loschmidt, born May 15, 1821, Putschin, Bohemia, Austrian Empire [now Počerny, Czech Republic]—died July 8, 1895, Vienna, Austria),早在1861年就已经得知苯环的结构了,这是在著名化学家凯库勒(Friedrich August Kekulé1829-1896)梦里幻想苯环结构之前的事。因为六元芳环在生物学中无处不在,它是DNA和蛋白质以及木质生物质和石油。芳族环和芳族结构在星际空间中观察到,在一般情况下,被认为是遍及星际介质。共轭六元环也是石墨烯的基本组成部分,石墨烯是具有惊人电子特性的材料。因此,对其结构的研究意义重大。

据澳大利亚研究委员会Australian Research CouncilARC激子科学卓越中心(ARC Centre of Excellence in Exciton Science)2020年35日提供的消息,90年后,科学家揭示了苯的结构。相关研究结果于202035日已经在《自然通讯》(Nature Communications)杂志网站发表——, . The electronic structure of benzene from a tiling of the correlated 126-dimensional wavefunction, Nature Communications, 2020, volume 11, Article number: 1210. DOI: 10.1038/s41467-020-15039-9

图1是苯的DVMS结构。a. 是RHF/6-31G(d)波函数的Voronoi站点(Voronoi site)。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站点周围波函数的横截面显示为蓝色瓣;C-H键显示为灰色。c. Voronoi站点显示交错旋转。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站点周围波函数的横截面。C–C键合电子的两个自旋以蓝色和红色显示。C-H键显示为灰色。图片来源:Nature Communications(2020).DOI: 10.1038/s41467-020-15039-9.顺便介绍一下Voronoi图,Voronoi图是一种重要的几何结构,它既是一种行之有效的空间剖分和聚类方法,又具有骨架的特性。它按照站点(sites)集合中元素的最近邻属性将空间划分成许多单元区域。在不同应用背景下,根据生成空间、测量距离以及站点等定义条件的不同,又产生了不同类型的Voronoi图。

ARC激子科学卓越中心、澳大利亚新南威尔士大学(University of New South Wales,UNSW)和澳大利亚联邦科学与工业研究组织(Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization, CSIRO)之间的合作解决了化学的基本谜团之一,其结果可能会对太阳能电池,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20世纪30年代以来,化学界内部就苯的基本电子结构展开了激烈的争论。近年来,这种争论变得更加紧迫,因为包含六个碳原子和六个氢原子的苯(C6H6)是许多光电材料的基本组成部分,这正在彻底改变可再生能源和电信技术。扁平的六角环也是DNA、蛋白质、木材和石油的组成部分。围绕苯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,但电子以不仅包括四个维度(four dimensions,如我们日常的“大”世界),而且包括126个维度的状态存在。

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