La molécula que existe en 126 dimensiones

Tras casi un siglo de intentos fallidos, logran revelar la estructura electrónica del benceno

16/03/2020 a las 12:02h.

Hace ya 200 años que Michael Faraday descubrió la molécula de benceno y ahora, por fin, los científicos han conseguido revelar su complejísima estructura electrónica.

El logro no es trivial. De hecho, resuelve de una vez por todas un agrio debate que incendia los laboratorios desde la década de 1930. Estamos, en efecto, ante la resolución de uno de los misterios fundamentales de la química, algo que tendrá un fuerte impacto, por ejemplo, en el diseño de células solares , diodos orgánicos emisores de luz, energías renovables, telecomunicaciones y un gran número de otras tecnologías de próxima generación.

La investigación, llevada a cabo por una colaboración de investigadores de la Universidad de Sidney, la Agencia nacional de Ciencia de Australia (CSIRO) y el centro de excelencia Exciton Science, dedicado a investigar las posibilidades de transformar la luz en energía y la energía en luz, acaba de publicarse en « Nature Communications ».

126 dimensiones

La estructura atómica del benceno es bien conocida. La molécula, en forma de anillo, está formada por seis átomos de carbono y otros seis de hidrógeno, todos ellos emparejados de dos en dos. Pero donde la cosa se vuelve complicada es cuando se consideran, también, los 42 electrones de la molécula. La función matemática que describe la molécula de benceno, en efecto, es de 126 dimensiones .

«Lo cual significa -explica el químico Timothy Schmidt, uno de los autors del trabajo- que es una función de 126 coordenadas, tres para cada uno de los 42 electrones. Y dado que los electrones no son independientes, no podemos dividir el conjunto en en 42 funciones tridimensionales intependientes. Las soluciones calculadas por las máquinas no son fáciles de interpretar por un humano , así que tuvimos que inventar una forma de llegar a la respuesta».

Irresoluble durante muchos años

Como resulta evidente, la descripción matemática de una estructura electrónica que se desarrolla en 126 dimensiones diferentes no es algo sencillo de hacer. Y esa complejidad es, precisamente, la razón por la que la cuestión ha sido un problema irresoluble durante tantos años , con agrias polémicas y debates sobre cómo se comportan realmente los electrones del benceno. Sin esa información, no resulta posible saber en qué condiciones la molécula permanece estable en sus múltiples aplicaciones tecnológicas.

Pero Schmidt y sus colegas han puesto fin a esta situación gracias al diseño de un nuevo algoritmo matemático . Uno que permite dividir en espacio dimensional en piezas equivalentes, cada una de ellas una permutación de las posiciones de los electrones.

Un comportamiento sorprendente

Una cuestión especialmente importante para los científicos fue comprender el espin (una especie de rotación intrínseca) de los electrones. El espín es la propiedad que produce magnetismo, entre otras fuerzas fundamentales, y la forma en que todos los electrones interactúan entre sí a través del espín constituye la base de una amplia gama de tecnologías, desde los diodos emisores de luz a la computación cuántica.

«Lo que hemos encontrado es muy sorprendente -dice Schmidt-. Los electrones del benceno no se comportan tal y como pensaban los químicos».

Phil Kilby, por su parte, añade que «aunque se desarrolló para el contexto químico, el algoritmo que desarrollamos se puede aplicar también a una amplia variedad de áreas».