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科学家解开了一个化学谜题,或可彻底改变可再

发布日期:2020-03-17 15:38 浏览次数:

苯的DVMS结构。任意自旋的电子位置显示为黄色的小球。碳氢键用灰色表示。每个自旋的电子位置分别显示为黄色和绿色的小球。澳大利亚科学家已经解开了化学的一个基本谜题,这一结果可能会对未来太阳能电池、有机发光二极管和其他新一代技术的设计产生影响。

自从20世纪30年代以来,关于苯的基本结构的争论就在化学圈内激烈地进行着。这个辩论近年来显得更加激烈,因为包含六个碳原子和六个氢原子的苯是可用于生产光电材料的最小分子,这正在彻底改变可再生能源和电信技术。

围绕分子结构的争论之所以出现,是因为尽管它几乎没有原子成分,但它的存在状态不仅包括四个维度,还包括126个维度。

到目前为止,测量一个复杂而微小的系统被证明是不可能的,这意味着苯电子的精确行为无法被发现。这代表了一个问题,因为没有这些信息,分子在技术应用中的稳定性就永远无法被完全理解。

然而现在,由Timothy Schmidt领导的来自ARC卓越中心的科学家们成功地解开了这个谜——结果让人大吃一惊。他们现在已经发表在《自然通讯》杂志上。

Schmidt教授与来自新南威尔士大学和CSIRO的同事们,将一种复杂的基于算法的方法——称为动态Voronoi大都市采样(DVMS)——应用于苯分子,以便在所有126维中绘制它们的波函数。

这幅图展示了126维的波函数瓦片是如何在我们的三维空间中横截面42次。解开这个复杂问题的关键是一个新的数学算法,它是由来自CSIRO的合著者菲尔·基尔比博士开发的。该算法允许科学家将空间划分为等价的“块”,每个“块”对应一个电子位置的排列。

科学家们特别感兴趣的是理解电子的“自旋”。所有的电子都有自旋——这是产生磁力的特性,还有其他基本的力——但是它们之间的相互作用是一系列技术的基础,从发光二极管到量子计算。

“我们的发现非常令人惊讶,”施密特教授说。“自旋向上的电子是双键,而自旋向下的电子则是单键。这并不是我们所期望的,但这对未来的技术应用来说可能是个好消息。从本质上讲,它减少了分子的能量,使其更加稳定,因为它得到了互相排斥的电子。

来自Data61的合著者菲尔基尔比补充道:“尽管我们开发的算法是针对这种化学背景的,但我们开发的‘与约束匹配’算法也可以应用于各种各样的领域,从员工名册到肾脏交换项目。”

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