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Benceno en 126 dimensiones

Los científicos australianos describieron recientemente una molécula química que los ha fascinado durante mucho tiempo. Se cree que el resultado de la investigación tendrá un impacto en los nuevos diseños de células solares, diodos emisores de luz orgánicos y otras tecnologías de próxima generación en las que, resulta, se puede utilizar benceno.

El benceno es un compuesto químico orgánico. Es el hidrocarburo aromático neutro, carbocíclico más simple. Es parte del ADN, las proteínas, la madera y el aceite. El problema de la construcción del benceno ha sido de interés para los químicos desde que se cortó este compuesto. En 1865, el químico alemán Friedrich August Kekulé planteó la hipótesis de que el benceno es un ciclohexatrieno con un anillo hexagonal en el que se alternan enlaces simples y dobles entre los átomos de carbono.

Fuente de la imagen: Pixabay


Ha habido un debate en los círculos químicos sobre la estructura de la molécula de benceno desde la década de 1930. Este debate se ha intensificado en los últimos años porque el benceno, que está formado por seis átomos de carbono unidos a seis átomos de hidrógeno, es la molécula más pequeña conocida que se puede utilizar en la fabricación de materiales optoelectrónicos, un área de tecnología de vanguardia.
La controversia sobre la estructura de una molécula surge porque, aunque tiene pocos constituyentes atómicos, existe en un estado que no se describe matemáticamente por las tres o incluso las cuatro dimensiones (incluido el tiempo) que conocemos por nuestra experiencia, sino hasta 126 dimensiones. ¿De dónde vino este número? Cada uno de los 42 electrones de una partícula se describe en tres dimensiones, y si los multiplica por el número de partículas, obtiene 126. Así que no son dimensiones reales, sino matemáticas. La medición de este complejo y muy pequeño sistema ha resultado imposible hasta ahora, por lo que se desconocía el comportamiento exacto de los electrones en el benceno. Y eso fue un problema, porque sin esta información nunca será posible describir completamente la durabilidad de la molécula en aplicaciones técnicas.
Ahora, sin embargo, los científicos que trabajan con Timothy Schmidt del Centro ARC de Excelencia en Ciencia Exciton y la Universidad de Nueva Gales del Sur en Sydney bajo la dirección de Timothy Schmidt han logrado resolver este misterio. Junto con colegas de UNSW y CSIRO Data61, aplicó un método complejo basado en algoritmos llamado Voronoi Metropolis Dynamic Sampling (DVMS) a moléculas de benceno para mapear sus funciones de forma de onda en las 126 dimensiones. Este algoritmo permite la división del espacio dimensional en "mosaicos", cada uno correspondiente a las permutaciones de las posiciones de los electrones. Los resultados de estos estudios se publicaron en la revista "Nature Communications". La comprensión del espín de los electrones fue de particular interés para los científicos. "Lo que descubrimos fue muy sorprendente", señala el profesor Schmidt en la publicación. "Los electrones en el carbono doble enlace con el espín hacia arriba se combinan en configuraciones tridimensionales con menos energía. Esto reduce significativamente la energía de la molécula y hace que la molécula sea más estable gracias a los electrones repelentes y evasores. La estabilidad de las partículas, a su vez, , es una característica deseable en aplicaciones técnicas.