Dựng được cấu trúc điện tử của benzen, hợp chất với electron tồn tại ở 126 chiều khác nhau

Bài toán khó đã làm khoa học đau đầu bao năm nay đã có lời giải, tạo nên bước đột phá trong ngành quang điện tử học.

Năm 1825, Michael Faraday khám phá ra sự tồn tại của benzen khi ngưng tụ khí phát sáng. Đã từ lâu, ta hiểu rõ cấu trúc nguyên tử của benzen nhưng từ hồi thập niên 30 tới giờ, khoa học vẫn cứ tranh cãi xem cấu trúc điện tử của benzen như thế nào. Nếu bạn chưa biết, thì trong hóa học lượng tử, “cấu trúc điện tử” là trạng thái vận động của electron nằm trong một trường tĩnh điện tạo ra bởi nhiều hạt nhân nằm cố định.

Cấu trúc nguyên tử của benzen.

Khám phá được cấu trúc điện tử của benzen, ta sẽ có viên gạch nền xây nên tương lai của ngành phát triển vật liệu quang điện tử học.

Cấu trúc nguyên tử của benzen như sau: là một vòng bao gồm 6 nguyên tử carbon và 6 nguyên tử hydro, gắn với nhau thành từng đôi. Thế nhưng việc benzen có 42 electron khiến cho việc nghiên cứu cấu trúc điện tử của nó gặp trở ngại.

“Hàm toán học mô tả electron của benzen cho thấy nó có tới 126 chiều”, nhà hóa học Timothy Schmidt cho hay. “Có nghĩa rằng 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, nên không thể tách hàm ra thành 42 hàm 3 chiều được”.

Theo lời nhà nghiên cứu Schmidt, thì câu trả lời của máy tính không dễ hiểu chút nào, nên các nhà khoa học phải tự tìm ra phương cách để có được đáp án.

Hàm toán học mô tả electron của benzen cho thấy nó có tới 126 chiều.

Họ phải dùng toán học để mô tả cấu trúc điện tử của benzen, và công thức cần tính toán tới toàn bộ 126 chiều cần tính. Nghe đã thấy phức tạp, và bản chất vấn đề cũng quả thật hóc búa; ấy chính là lý do vì sao khoa học đã cãi vã suốt chục năm qua. Thậm chí có người còn đặt câu hỏi liệu electron trong benzen có thực sự hoạt động để mà đi giải bài toán khó này không.

Có hai hướng suy nghĩ: một bên cho rằng benzen hoạt động dựa trên thuyết hóa trị, với các electron hoạt động bình thường (electron đã định xứ - localized, hoạt động trong một phạm vi nhất định); bên còn lại cho rằng benzen tuân theo thuyết phân tử vệ tinh, các electron đã bất định xứ, vượt ra ngoài khuôn khổ và vươn ra những nguyên tử lân cận.

Vấn đề hóc búa ở đây: cả hai thuyết trên đều không lý giải được cấu trúc điện tử của benzen.

Vậy là cần một cách giải thích mới, và kỹ thuật “lấy mẫu động Voronoi Metropolis” đã cho các nhà nghiên cứu một lối thoát. Bằng những thuật toán mô tả được chức năng sóng của một hệ nhiều electron, họ đã giải được bài toán khó.

Thuật toán mới phân tách được các chiều electron thành các sơ đồ Voronoi, với mỗi khung chỉ ra một tọa độ của electron, cho phép đội ngũ nghiên cứu vẽ được sơ đồ chức năng sóng của toàn bộ 126 chiều. Và rồi họ phát hiện ra điều kỳ lạ, thay đổi suy nghĩ của khoa học về benzen.

Ví dụ về sơ đồ Vonoroi.

Nghiên cứu chỉ ra rằng electron sẽ “tránh mặt” nhau mỗi khi chúng có cơ hội, khiến năng lượng bên trong phân tử giảm, từ đó khiến cấu trúc benzen ổn định hơn trước.

“Về cơ bản, khám phá này nối liền được những nhận định trước đây về tính chất hóa học của benzen, cho chúng tôi thấy rằng hai mô hình sẵn có đang mô tả benzen có thể khớp vào được với nhau”, giáo sư Schmidt nói. 

“Và giờ chúng tôi cũng đã biết cách quan sát tương quan electron - tức là cách các electron tránh mặt nhau ra sao. Điều này đã luôn bị bỏ qua, khi mà các tính toán trước kia chỉ được áp dụng khi năng lượng biến đổi, chứ không tính tới hoạt động điện diễn ra bên trong”.

Nghiên cứu mới được đăng tải trên Nature.