Čeští vědci si jako první všimli I

Doposud bylo pozorování subatomárních struktur mimo analytické možnosti metod přímého zobrazování a zdá se nepravděpodobné, že se to změní. Čeští vědci však představili metodu, pomocí které jako první pozorovali nehomogenní rozložení elektronového náboje kolem atomu halogenu, čímž potvrdili existenci teoreticky předpovězeného, ​​ale přímo nepozorovaného jevu. Ve srovnání s prvním pozorováním černé díry tento průlom usnadní pochopení interakcí mezi jednotlivými atomy či molekulami i chemických reakcí a otevře cestu pro čištění materiálů a strukturních vlastností různých fyzikálních, biologických a chemických vlastností. systémy. Hack bude zveřejněn v pátek v hodin Věda.

V mezioborové spolupráci vědci z Českého institutu pro pokročilý výzkum a technologie (CATRIN) Univerzity Palackého v Olomouci, Fyzikálního ústavu Akademie věd ČR (FZU), Ústavu organické chemie a biochemie ČR Akademie věd (ÚOCHB Praha) a Superpočítačovým centrem IT4Inovations při VŠB – TU Ostrava se podařilo výrazně zvýšit rozlišovací schopnosti mikroskopie, která na několik let umožnila lidstvu fotografovat jednotlivé atomy a překročit tak atomovou úroveň. na subatomární jevy. Vědci poprvé přímo pozorovali asymetrické rozložení elektronové hustoty na jednotlivých atomech halogenových prvků, tzv. sigma díru. Tím přesvědčivě potvrdili jeho existenci, jak teoreticky předpověděli téměř před 30 lety, a překonali jednu z dlouhodobých výzev vědy.

„Potvrzení existence teoreticky očekávaných sigma děr se neliší od pozorování černých děr, které byly pozorovány teprve před dvěma lety, ačkoli byly předpovězeny v roce 1915. Obecná teorie relativity. V tomto smyslu není přehnané tvrdit, že zobrazení sigma díry představuje podobnou vlastnost na atomové úrovni,“ Vysvětluje Pavel Jelínek z FZU a přední odborník na teoretické a experimentální studium fyzikálních a chemických vlastností molekulárních struktur na povrchu pevných látek CATRIN.

Dosud byla existence jevu známého jako sigma díra nepřímo prokázána rentgenovými krystalovými strukturami s halogenovou vazbou, které odhalily úžasnou skutečnost, že atomy halogenu jsou chemicky vázány na jednu molekulu a atomy dusíku nebo kyslíku na druhou. Molekula, která by se měla odpuzovat, je blízko a tím se přitahuje. Toto pozorování bylo v příkrém rozporu s hypotézou, že tyto atomy nesou homogenní záporný náboj a jsou odpuzovány elektrostatickou silou.

To vedlo vědce ke zkoumání atomové struktury halogenu pomocí mikroskopu Kelvinovy ​​sondy. Začali vývojem teorie popisující mechanismus atomového rozlišení Kelvinovy ​​sondy, což jim umožnilo zlepšit experimentální podmínky pro zobrazování sigma děr. Následná kombinace experimentálních měření a pokročilých kvantově chemických metod vyústila v pozoruhodný pokrok – první experimentální vizualizaci nehomogenního rozložení náboje elektronové hustoty, tedy sigma díru – a konečné potvrzení konceptu halogenových vazeb.

„Zlepšili jsme citlivost silové mikroskopie Kelvinovy ​​sondy aktivací hrotové sondy jediným atomem xenonu, což nám umožnilo vizualizovat nehomogenní rozložení náboje atomu bromu v molekule tetrafenylmethanu, tedy sigma díře v reálném prostoru. a potvrdit teoretickou předpověď,“ Bruno de la Torre z CATRIN a FZU říká.

„Když jsem poprvé viděl sigma díru, byl jsem rozhodně skeptický, protože to znamená, že jsme překonali hranici přesnosti mikroskopů až na subatomární úroveň. Jakmile jsem to přijal, byl jsem hrdý na náš příspěvek k posouvání hranic experiment a rádi jsme otevřeli cestu dalším výzkumníkům, aby se posunuli vpřed a uplatnili tyto znalosti při objevování nových efektů na úrovni jednoho atomu,“ Přidá z věže.

Schopnost zobrazit nehomogenní rozložení elektronového náboje na jednotlivých atomech by podle vědců vedla mimo jiné k lepšímu pochopení interakce jednotlivých molekul a důvodu uspořádání různých molekulárních struktur. „Myslím, že lze s jistotou říci, že zobrazování se subatomárním rozlišením bude mít dopad na různé oblasti vědy, včetně chemie, fyziky a biologie,“ říká Jelínek.

„Celý život jsem studoval nekovalentní interakce a k mé spokojenosti nyní můžeme pozorovat něco, co jsme dříve mohli vidět pouze teoreticky, a experimentální měření přesně potvrzují naši teoretickou hypotézu o existenci a tvaru sigma-haly. Umožní nám to lépe porozumět a vysvětlit tyto interakce,“ říká výpočetní chemik Pavel Hobza z ÚOCHB Praha, který prováděl pokročilé kvantově chemické výpočty na superpočítačích v IT4Inovations v Ostravě. „Vidíme, že halogenové vazby a nekovalentní interakce obecně hrají dominantní roli nejen v biologii, ale také ve vědě o materiálech. Díky tomu je náš současný vědecký výzkum ještě důležitější,“ dodává Hobza.

Charakteristický tvar sigma díry sestává z kladně nabité koruny obklopené pásem záporné elektronové hustoty. Toto nehomogenní rozložení náboje vede ke vzniku halogenové vazby, která hraje klíčovou roli mimo jiné v supramolekulární chemii včetně molekulárního krystalového inženýrství a v biologických systémech.

Přesná znalost rozložení elektronového náboje na atomech je nezbytná pro pochopení interakcí mezi jednotlivými atomy a molekulami, včetně chemických reakcí. Nová zobrazovací metoda tak otevírá dveře zdokonalování materiálů a strukturních vlastností mnoha fyzikálních, biologických a chemických systémů, které ovlivňují každodenní život.

originální papír: Malada, A. Gallardo, M. Lamanic, P. de la Torre, F. Shperko, nar. Hobza, nar. Jellinek. Zobrazení anizotropního náboje σ-díry v reálném prostoru pomocí silového mikroskopu Kelvinovy ​​sondy. Věda 2021, V tisku.