Aromatičnost u kuhinji ili poeziji (Modri tamjan i aroma/ Puni sveti stan) i u kemiji ne znači isto. Većina aromatskih spojeva, benzena i njegovih derivata (naftalen, piridin...) ili, točnije, spojeva s benzenskim prstenom, ima miris, po čemu su dobili ime, no danas ta riječ, aromatski, znači nešto sasvim drugo od mirisa. Aromatičnost znači da svi atomi u prstenu ili molekuli dijele elektrone koji ih povezuju. U benzenskom prstenu ne postoje jednostruke i dvostruke veze između ugljikovih atoma, C-C i C=C, nego su sve veze nešto između jednostrukih i dvostrukih i, najvažnije, one  se ne razlikuju. To se vidi, između ostalog, i po tome što su sve veze u benzenskom prstenu jednake duljine (0,139 nm) dok se u molekulama lančastih ugljikovodika dužinom dosta razlikuju (veza C-C duga je 0,154  nm, a C=C 0,135 nm).

No to je tek početak priče, pokušaj da se kvantno-mehanički sustav, kakav je molekula, prikaže teorijom kemijske veze (ili valencije) iz 19. stoljeća. Prava je istina da se oko više atomskih jezgara formira orbitala, ne atomska nego molekulska. Molekulska orbitala koja povezuje ugljikove atome u molekulama aromatskih spojeva proteže se čitavom molekulom. To je ujedno i najviša elektronima popunjena molekulska orbitala, the highest occupied molecular orbital ili, kraće, HOMO.

Logično, ako postoji popunjena onda mora postojati i nepopunjena orbitala jer se inače „popunjenost“ ne bi isticala. Takvih, nepopunjenih ili praznih orbitala ima više, no najvažnija je ona najniže energije, LUMO (the lowest unoccupied molecular orbital). Ona, kao što ime kaže, ne sadrži elekrone, ali to ne znači da ih u njoj ne može biti. I ona se, poput HOMO, proteže kroz čitavu molekulu.

Koje su posljedice ove osebujne raspodjele elektrona u molekulama aromatskih spojeva? Ima ih dakako mnogo, no za nas je najvažnije da aromatski spojevi umnogome nalikuju na metale jer oni, kao i metali, imaju valentnu i vodljivu vrpcu – točnije valentnu i vodljivu molekulsku orbitalu. Zbog toga grafit – koji se sastoji od sljepljenih benzenskih prstena – lako vodi električnu struju, a već se dugo zna za polimere, dakle organske spojeve, koji nisu izolatori nego vodiči.

Novi je napredak na tom području objavljen u časopisu Matter pod naslovom „Promotion and suppression of single-molecule conductance by quantum interference in macrocyclic circuists (Pojačavanje i potiranje jednomolekulske vodljivosti kvantnom inferferencijom u makrocikličkim (strujnim) krugovima).“ Što to znači?

Makrociklički spojevi su, samo ime kaže, kemijski spojevi s velikim prstenastim molekulama. Te su molekule u ovom slučaju ciklofani, molekule koje imaju prsten sastavljen od dva kraka povezanih atomima sumpora, a u svakom se kraku nalazi pet uzajamno povezanih aromatskih prstena. Neki prsteni sadrže atome dušika, uslijed čega molekule ciklofana nose četiri pozitivna naboja (1-D⁴⁺, 2-D⁴⁺ ....  6-D⁴⁺). Atomi sumpora služe za vezivanje atome zlata, koji se nalaze na vrhovima metalnog vodiča. 

Trik kojim su se poslužili autori spomenutog znanstvenog rada temelji se na pojavi da elektroni teku kroz svaku od dvije grane ciklofanske molekule. Da je riječ o metalnim vodičima za njih bi vrijedio Kirchhoffov zakon grananja električne struje, pa bi kroz jednu granu molekule tekla jača, a kroz drugu slabija struja. No to se ovdje ne događa. Umjesto toga događa se kvantna interferencija.

Ako mislite da elektroni teku kroz molekulu, točnije kroz njezinu praznu orbitalu (LUMO) kao kroz praznu cijev, varate se. Elektroni se, istina, mogu ponašati kao čestice, no zbog svoje dualne kvantno-mehaničke prirode oni se ponašaju i kao valovi. To drugim riječima rečeno znači da kroz LUMO prolazi elektronski val, a dva vala – koji je svaki prošao svojom orbitalom u drugoj grani molekule – na kraju interferiraju. I kao kod svake interferencije, signal se može pojačati ili oslabiti. U prvom slučaju riječ je o konstruktivnoj (CQI), a u drugom o destruktivnoj (DQI) kvantnoj interferenciji (QI).

Rezultat? Kombinacijom dviju grana molekule mogu se dobiti molekule ciklofana s većim ili manjim električnim otporom, dakle čitav niz otpornika ne većih od jedne molekule. Negativnu interferenciju (DQI) naročito potpomaže zamjena aromatskih prstena etenskim  (-C=C-) ili etinskim (-C≡C-) fragmentima (5-D⁴⁺, 6-D⁴⁺). Zamjenjujući jedan (na slici desni) krak osnovne molekule (4-D⁴⁺), znanstvenici su uspjeli smanjiti električnu vodljivost (G_II/G₁) osnovnog spoja (G₁) deset puta no i 60 puta je povećati. To je već lijep skup električnih otpornika, a može ih biti još i više jer su ciklofani spojevi koji se lako sintetiziraju. O broju pak mogućih kombinacija povezivanja aromatskih prstena u njihovim molekulama neću govoriti – jer kako god da se računa dolazi se do vrlo velikih, da ne kažem astronomskih brojeva.

Nenad Raos je kemičar, doktor prirodnih znanosti i znanstveni savjetnik u trajnome zvanju, sada u mirovini. Autor je i koautor stotinjak znanstvenih i stručnih radova iz područja bioanorganske i teorijske kemije, molekulskog modeliranja te povijesti kemije i komunikacijskih vještina u znanosti. Još od studentskih dana bavi se popularizacijom znanosti. Sada piše za Čovjek i svemir, Meridijane te, naravno, Bug online. Sedam je godina bio glavni i tehnički urednik časopisa Priroda, a danas je glavni urednik mrežnih stranica Panopticum. Koautor je dva sveučilišna udžbenika i autor 14 znanstveno-popularnih knjiga. Nagrađen je Državnom godišnjom nagradom za promidžbu i popularizaciju znanosti 2003. godine.