Een van de fundamentele mysteries van de chemie is opgelost door een samenwerking tussen Exciton Science, UNSW en CSIRO – en het resultaat kan gevolgen hebben voor toekomstige ontwerpen van zonnecellen, organische lichtemitterende diodes en andere technologieën van de volgende generatie.

Sinds de jaren dertig woedt er in scheikundige kringen een debat over de fundamentele elektronische structuur van benzeen. Het is een debat dat de laatste jaren steeds urgenter is geworden, omdat benzeen - dat bestaat uit zes koolstofatomen gekoppeld aan zes waterstofatomen - de fundamentele bouwsteen is van veel opto-elektronische materialen, die een revolutie teweegbrengen in hernieuwbare energie en telecommunicatietechnologie.

De platte zeshoekige ring is ook een onderdeel van DNA, eiwitten, hout en petroleum.

De controverse rond de structuur van het molecuul ontstaat omdat, hoewel het weinig atomaire componenten heeft, de elektronen bestaan ​​in een staat die niet alleen vier dimensies omvat - zoals onze dagelijkse "grote" wereld - maar 126.

Het analyseren van een systeem dat tot nu toe onmogelijk is gebleken, wat betekent dat het precieze gedrag van benzeenelektronen niet kon worden ontdekt. En dat was een probleem, want zonder die informatie, de stabiliteit van het molecuul in technische toepassingen kon nooit helemaal worden begrepen.

Nutsvoorzieningen, echter, wetenschappers onder leiding van Timothy Schmidt van het ARC Centre of Excellence in Exciton Science en UNSW Sydney zijn erin geslaagd het mysterie te ontrafelen - en de resultaten kwamen als een verrassing. Ze zijn nu gepubliceerd in het tijdschrift Natuurcommunicatie .

Professor Schmidt, met collega's van UNSW en CSIRO's Data61, een complexe, op algoritmen gebaseerde methode, dynamische Voronoi Metropolis-sampling (DVMS) genaamd, toegepast op benzeenmoleculen om hun golffuncties in alle 126 dimensies in kaart te brengen.

De sleutel tot het ontrafelen van het complexe probleem was een nieuw wiskundig algoritme, ontwikkeld door co-auteur dr. Phil Kilby van CSIRO's Data61. Het algoritme stelt de wetenschapper in staat om de dimensionale ruimte te verdelen in equivalente "tegels", elk corresponderend met een permutatie van elektronposities.

Van bijzonder belang voor de wetenschappers was het begrijpen van de "spin" van de elektronen. Alle elektronen hebben spin - het is de eigenschap die magnetisme produceert, onder andere fundamentele krachten – maar hoe ze met elkaar omgaan, ligt aan de basis van een breed scala aan technologieën, van light-emitting diodes tot quantum computing.

"Wat we vonden was zeer verrassend, " zei professor Schmidt. "De elektronen met wat bekend staat als up-spin dubbel gebonden, waar die met down-spin single-bonded, en vice versa.

"Zo denken scheikundigen niet over benzeen. In wezen vermindert het de energie van het molecuul, stabieler maken, door elektronen te krijgen, die elkaar afstoten, elkaar uit de weg."

Co-auteur Phil Kilby van Data61 voegde toe:"Hoewel ontwikkeld voor deze chemiecontext, het algoritme dat we hebben ontwikkeld, want 'matching with constraints' kan ook op allerlei terreinen worden toegepast, van personeelsroosters tot nieruitwisselingsprogramma's."