تويت
بعد 200 عام من اِكتشاف الجُزيء من قِبَل «مايكل فاراداي»، كَشَف الباحثون مؤخرًا عن البنية الإلكترونية المعقدة للبنزين ، وبالرغم من ذلك لم يحسم الجدال الدائر منذ عام 1930، وقد يكون لهذا الاكتشاف تداعيات مهمة في تطوير المواد التي تحتوي إلكترونات ضوئية مستقبلًا والتي يدخل البنزين في تكوينها.
يُعد التركيب الذري للبنزين واضحًا جدًا، فهو عِبارة عن حلقة تتألف من 6 ذرات من الكربون و6 ذرات من الهيدروجين تتصل كل واحدة منها بذرة كربون، ويصبح الأمر أكثر تعقيدًا عندما نأخذ بالحسبان الـ42 إلكترونًا التي يتكون منها الجزيء.
صرَّح الكيميائي تيموثي شميدت Timothy Schmidt من مَركز التفوق ARC لعلم الإلكترونات التابع لجامعة UNSW في سيدني بأستراليا: «تتألف الدَّالة الرياضية التي تَصف إلكترونات البنزين من 126 بُعدًا، هذا يعني بأنها دالة لـِ 126 إحداثية أي ثلاثة لكل إلكترون (42 إلكترونًا)، إذ تُعتبر الإلكترونات غير مُستقلة (غير حرة) لذلك لا نستطيع تقسيمها إلى 42 إلكترونًا حرًا ثلاثي الأبعاد. ومن الصعب على الإنسان تفسير النتيجة التي توصلت إليها الآلة، فكان علينا ابتكار طريقة للوصول إلى الإجابة».
ويعني هذا رياضيًا أن وَصف البنية الإلكترونية للبنزين يَحتاج لمراعاة 126 بعدًا، الأمر الذي لا يُعد سهلًا على الإطلاق. وفي الواقع يُعد هذا التعقيد السبب الرئيسي في تأخر الكشف عن البنية الإلكترونية للبنزين ما أدى إلى مجادلات حول كيفية تصرف إلكترونات البنزين.
توجد نظريتين في الكيمياء (نظرية رابطة التكافؤ ونظرية المدار الجزيئي) ويتبع البنزين نظرية رابطة التكافؤ مع الإلكترونات المتمركزة، ويتبع نظرية المدار الجزيئي مع الإلكترونات غير المُتموضعة، وتكمن المشكلة في كون النظريتين السابقتين لا تُلائمان جزيء البنزين.
وكتب الباحثون في دراستهم: «يتجاهل تفسير البنية الإلكترونية المتعلقة بالمدارات التابع الموجي غير المتناظر عند التقاء النظائر المتشابهة، إضافةً إلى ذلك فإن المدارات الجزيئية لا تقدّم وصفًا بديهيًا لترابط الإلكترون».
اِستند الفريق في دراستهم إلى تقنية كانوا قد طوَّروها مُؤخرًا، وتدعى اِختبار فورونوي ميتروبوليس Voronoi Metropolis، إذ يُستَخدم فيها نهج لوغاريتمي لتخيل المعادلات الموجية في نظام متعدد الإلكترونات، والذي يعمل على فصل أبعاد الإلكترونات إلى قطع منفصلة في مُخطط Voronoi مع تطابق كل قطعة مع نظائر الإلكترون ما يسمح للعلماء برسم المعادلات الموجية لجميع النظائر.
أشار شميدت في تصريحه إلى أنه: «يوجد نوعين من الإلكترونات، الأول up-spin ثنائي الترابط، أما الثاني down-spin أحادي الترابط، وهي ليست الطريقة التي يرى بها العلماء جزيء البنزين»
يعني ذلك أن الإلكترونات تتجنب بعضها البعض عندما يكون من المفيد القيام بذلك ما يقلل من طاقة الجزيء ويجعله أكثر استقرارًا.
وأضاف شميدت لمجلة ScienceAlert: «بشكل أساسي، فإنَّ هذا يُوحِّد الاِعتقاد الكيميائي، وذلك بإظهار اِجتماع هذين النمطين السائِدين في جُزيء البنزين»
وأضاف قائلًا: «نعرض في دراستنا ما يُدعى بترابط الإلكترونات (علاقتها مع بعضها البعض) أي تجنب الإلكترونات لبعضها البعض، إذ غالبًا ما تُهمَل هذه العلاقة بين الإلكترونات وتؤخذ بعين الاعتبار فقط عند استخدام الطاقة».
يُعد التركيب الذري للبنزين واضحًا جدًا، فهو عِبارة عن حلقة تتألف من 6 ذرات من الكربون و6 ذرات من الهيدروجين تتصل كل واحدة منها بذرة كربون، ويصبح الأمر أكثر تعقيدًا عندما نأخذ بالحسبان الـ42 إلكترونًا التي يتكون منها الجزيء.
صرَّح الكيميائي تيموثي شميدت Timothy Schmidt من مَركز التفوق ARC لعلم الإلكترونات التابع لجامعة UNSW في سيدني بأستراليا: «تتألف الدَّالة الرياضية التي تَصف إلكترونات البنزين من 126 بُعدًا، هذا يعني بأنها دالة لـِ 126 إحداثية أي ثلاثة لكل إلكترون (42 إلكترونًا)، إذ تُعتبر الإلكترونات غير مُستقلة (غير حرة) لذلك لا نستطيع تقسيمها إلى 42 إلكترونًا حرًا ثلاثي الأبعاد. ومن الصعب على الإنسان تفسير النتيجة التي توصلت إليها الآلة، فكان علينا ابتكار طريقة للوصول إلى الإجابة».
ويعني هذا رياضيًا أن وَصف البنية الإلكترونية للبنزين يَحتاج لمراعاة 126 بعدًا، الأمر الذي لا يُعد سهلًا على الإطلاق. وفي الواقع يُعد هذا التعقيد السبب الرئيسي في تأخر الكشف عن البنية الإلكترونية للبنزين ما أدى إلى مجادلات حول كيفية تصرف إلكترونات البنزين.
توجد نظريتين في الكيمياء (نظرية رابطة التكافؤ ونظرية المدار الجزيئي) ويتبع البنزين نظرية رابطة التكافؤ مع الإلكترونات المتمركزة، ويتبع نظرية المدار الجزيئي مع الإلكترونات غير المُتموضعة، وتكمن المشكلة في كون النظريتين السابقتين لا تُلائمان جزيء البنزين.
وكتب الباحثون في دراستهم: «يتجاهل تفسير البنية الإلكترونية المتعلقة بالمدارات التابع الموجي غير المتناظر عند التقاء النظائر المتشابهة، إضافةً إلى ذلك فإن المدارات الجزيئية لا تقدّم وصفًا بديهيًا لترابط الإلكترون».
اِستند الفريق في دراستهم إلى تقنية كانوا قد طوَّروها مُؤخرًا، وتدعى اِختبار فورونوي ميتروبوليس Voronoi Metropolis، إذ يُستَخدم فيها نهج لوغاريتمي لتخيل المعادلات الموجية في نظام متعدد الإلكترونات، والذي يعمل على فصل أبعاد الإلكترونات إلى قطع منفصلة في مُخطط Voronoi مع تطابق كل قطعة مع نظائر الإلكترون ما يسمح للعلماء برسم المعادلات الموجية لجميع النظائر.
أشار شميدت في تصريحه إلى أنه: «يوجد نوعين من الإلكترونات، الأول up-spin ثنائي الترابط، أما الثاني down-spin أحادي الترابط، وهي ليست الطريقة التي يرى بها العلماء جزيء البنزين»
يعني ذلك أن الإلكترونات تتجنب بعضها البعض عندما يكون من المفيد القيام بذلك ما يقلل من طاقة الجزيء ويجعله أكثر استقرارًا.
وأضاف شميدت لمجلة ScienceAlert: «بشكل أساسي، فإنَّ هذا يُوحِّد الاِعتقاد الكيميائي، وذلك بإظهار اِجتماع هذين النمطين السائِدين في جُزيء البنزين»
وأضاف قائلًا: «نعرض في دراستنا ما يُدعى بترابط الإلكترونات (علاقتها مع بعضها البعض) أي تجنب الإلكترونات لبعضها البعض، إذ غالبًا ما تُهمَل هذه العلاقة بين الإلكترونات وتؤخذ بعين الاعتبار فقط عند استخدام الطاقة».