Наблюдение неоднородного распределения электронного заряда на атоме

До сих пор наблюдение субатомных структур было за пределами разрешающей способности методов прямой визуализации, и это казалось маловероятным. Чешские ученые, однако, представили метод, с помощью которого они первыми в мире наблюдали неоднородное распределение заряда электронов вокруг атома галогена, тем самым подтвердив существование явления, которое было теоретически предсказано, но никогда не наблюдалось напрямую. Сравнимо с первым наблюдением черной дыры этот прорыв облегчит понимание взаимодействий между отдельными атомами или молекулами, а также химических реакций, и откроет путь к уточнению материалов и структурных свойств различных физических, биологических и химических систем. Это открытие будет опубликовано в пятницу в журнале Science.

Схематическое изображение, показывающее принцип эксперимента, который позволил визуализировать сигма-отверстие на атоме брома (Br) в молекуле с помощью специально модифицированного наконечника сканирующего микроскопа, функционализированного одним атомом ксенона (Xe). Вверху: схематический вид острия сканирующего микроскопа с одиночным атомом ксенона (Xe). В центре: экспериментальная иллюстрация сигма-отверстия, полученная с помощью сканирующего микроскопа с использованием принципа зонда Кельвина. Внизу: карта электростатического потенциала, изображающая сигма-дырку (неоднородное распределение атомного заряда на атоме брома), которая образована положительным зарядом на вершине атома (синяя корона), окруженного отрицательным электронным шлейфом (красное поле). Предоставлено: FZU / DRAWetc.

В рамках обширного междисциплинарного сотрудничества ученые из Чешского института передовых технологий и исследований (CATRIN) Палацкого университета в Оломоуце, Института физики Чешской академии наук (FZU), Института органической химии и биохимии Чешской академии наук (IOCB, Прага) и суперкомпьютерному центру IT4Inovations в VSB — Техническом университете Остравы удалось значительно повысить разрешающую способность сканирующей микроскопии, которая несколько лет назад позволила человечеству отображать отдельные атомы и, таким образом, вышла за пределы атомного уровня на субатомный. явления.

Сигма-дыра

Ученые впервые непосредственно наблюдали асимметричное распределение электронной плотности на отдельных атомах галогенных элементов, так называемую сигма-дыру. При этом «Подтверждение существования теоретически предсказанных сигма-дыр мало чем отличается от наблюдений за черными дырами, которые никогда не наблюдались только два года назад, несмотря на то, что они были предсказаны в 1915 году общей теорией относительности. В этом смысле не будет большим преувеличением сказать, что визуализация сигма-дыры представляет собой аналогичную веху на атомном уровне», — объясняет Павел Елинек из FZU и CATRIN, ведущий эксперт по теоретическим и экспериментальным исследованиям физико-химические свойства молекулярных структур на поверхности твердых веществ.

• До сих пор существование явления, известного как сигма-дырка, косвенно демонстрировалось рентгеновскими кристаллическими структурами с галогенной связью, которые выявляли удивительную реальность того, что химически связываются атомы галогена одной молекулы и атомы азота или кислорода второй молекулы — молекул, которые должны отталкивать друг друга, находятся рядом и, таким образом, притягивают друг друга.
• Это наблюдение явно противоречило предположению, что эти атомы несут однородный отрицательный заряд и отталкиваются друг от друга за счет электростатической силы.

Это побудило ученых изучить субатомную структуру галогена с помощью зондовой силовой микроскопии Кельвина. Они начали с разработки теории, описывающей механизм атомного разрешения зонда Кельвина, что позволило им оптимизировать экспериментальные условия для визуализации сигма-дыр. Последующее сочетание экспериментальных измерений и передовых методов квантовой химии привело к замечательному прорыву — первой экспериментальной визуализации неоднородного распределения заряда электронной плотности, то есть сигма-дырки, — и окончательному подтверждению концепции галогенных связей.

Сравнение теоретического предсказания и результатов эксперимента. Предоставлено: Томаш Беллон / IOCB в Праге.

«Мы повысили чувствительность нашей зондовой силовой микроскопии Кельвина, добавив в наконечник зонда один атом ксенона, что позволило нам визуализировать неоднородное распределение заряда в атоме брома в молекуле бромированного тетрафенилметана, то есть сигма-отверстие в реальное пространство и подтвердите теоретическое предсказание», — говорит Бруно де ла Торре из CATRIN и FZU.

«Когда я впервые увидел сигма-отверстие, я определенно был настроен скептически, потому что это означало, что мы преодолели предел разрешающей способности микроскопов до субатомного уровня. Когда я принял это, я почувствовал гордость за наш вклад в расширение границ эксперимента и рад, что открыл путь для других исследователей, чтобы пойти дальше и применить эти знания в открытии новых эффектов на уровне отдельных атомов», — добавляет де ла Торре.

Понимание реакционной способности отдельных молекул

По словам ученых, возможность изобразить неоднородное распределение заряда электронной плотности на отдельных атомах, среди прочего, приведет к лучшему пониманию реакционной способности отдельных молекул и причин расположения различных молекулярных структур. «Я думаю, можно с уверенностью сказать, что получение изображений с субатомным разрешением окажет влияние на различные области науки, включая химию, физику и биологию», — говорит Елинек.

«Я изучал нековалентные взаимодействия всю свою жизнь, и мне очень приятно, что теперь мы можем наблюдать то, что раньше мы могли« видеть »только в теории, и что экспериментальные измерения точно подтверждают нашу теоретическую предпосылку о существовании и форме сигма-дыра. Это позволит нам лучше понять эти взаимодействия и интерпретировать их», — говорит специалист по вычислительной химии Павел Хобза из IOCB в Праге, который выполнил передовые квантово-химические расчеты на суперкомпьютерах в IT4Inovations в Остраве. «Мы видим, что галогенные связи и нековалентные взаимодействия в целом играют доминирующую роль не только в биологии, но и в материаловедении. Это делает нашу текущую статью в Science еще более важной», — добавляет Хобза.

Характерная форма сигма-дыры образована положительно заряженной короной, окруженной поясом отрицательной электронной плотности. Это неоднородное распределение заряда приводит к образованию галогенной связи, которая играет ключевую роль, среди прочего, в супрамолекулярной химии, включая инженерию молекулярных кристаллов, и в биологических системах.

Точное знание распределения заряда электронов на атомах необходимо для понимания взаимодействий между отдельными атомами и молекулами, включая химические реакции. Таким образом, новый метод визуализации открывает дверь к уточнению материалов и структурных свойств многих физических, биологических и химических систем, влияющих на повседневную жизнь.

Источник

Метки: атом