Спустя почти 200 лет после открытия Фарадеем важнейшего ароматического соединения – бензола – ученые, наконец, сумели предложить способ для описания структуры его молекулы. Задача возникла после знаменитого открытия химика Кекуле, который первым догадался, что у молекулы бензола замкнутая шестигранная форма. Расстояние и сила связей между атомами углерода в вершинах бензольного кольца строго одинаковы, что и обеспечивает уникальную устойчивость этого вещества.
Помимо углерода в составе бензола есть и водород – по одному атому на каждый атом углерода. Таким образом, суммарное количество электронов в этой структуре достигает 42, но все они перемешаны между собой. Ученые долго пытались описать эту конструкцию и в итоге пришли к громоздкой математической модели, в которой задействовано... 126 измерений, по три для определения позиции каждого бензольного электрона в нашей трехмерной реальности.
Применять функцию со 126 измерениями на практике невозможно, но поиск альтернативного решения растянулся на десятки лет. Недавно австралийские ученые предложили использовать для этого волновые функции, описывающие работу квантовых систем. Они исходили из того, что в заданной системе электроны изначально принципиально неразличимы между собой, поэтому вместо них нужно выделять области пространства с некими свойствами.
Такой подход позволил резко сократить сложность всей структуры и составить уравнения для описания свойств таких областей и их взаимодействия между собой. Далее, отталкиваясь от полученных параметров, ученые смоделировали поведение электронов внутри выделенной области, получив новые формулы и уравнения. Все это позволяет детально описать и визуализировать устройство молекулы бензола простыми и понятными способами. И это – чрезвычайно важный ключ к пониманию устройства молекул других сложных веществ, вроде графена.