Naukowcy potwierdzili istniejącą od kilkudziesięciu lat teorię o nierównomiernym rozkładzie gęstości elektronów w cząsteczkach aromatycznych, poszerzając możliwości projektowania nowych nanomateriałów. Badania te opierają się na ich wcześniejszych pracach i wykorzystują zaawansowaną skaningową mikroskopię elektronową do analizy subatomowej.
Naukowcy zweryfikowali eksperymentalnie długoletnią teorię mówiącą, że gęstość elektronów jest nierównomiernie rozłożona w cząsteczkach aromatycznych.
Naukowcy z IOCB Praga, Instytutu Fizyki Czeskiej Akademii Nauk i Uniwersytetu Palackiego w Ołomuńcu po raz kolejny poczynili ogromne postępy w odkrywaniu tajemnic świata cząsteczek i atomów. Eksperymentalnie zweryfikowali długoletnią teorię, że gęstość elektronów nie jest równomiernie rozłożona w cząsteczkach aromatycznych.
Zjawisko to w ogromnym stopniu wpływa na właściwości fizyczne i chemiczne cząsteczek oraz ich interakcje. Badania te poszerzają możliwości projektowania nowych nanomateriałów i są tematem właśnie opublikowanej pracy Komunikacja przyrodnicza.
Ten sam zespół autorów w swoim poprzednim badaniu pilotażowym opublikowanym w Nauki Opisz nieregularny rozkład elektronów w kukurydza, tzw. dziura σ. Teraz badacze potwierdzili istnienie tzw. dziury π. W węglowodorach aromatycznych elektrony znajdują się w chmurach powyżej i poniżej płaszczyzny atomów węgla. Jeśli zastąpimy otaczające atomy wodoru atomami bardziej elektroujemnymi lub grupami atomów, które odciągają elektrony, pierwotnie ujemnie naładowane chmury zamienią się w dodatnio naładowane dziury elektronowe.
Profesor Pavel Hobza, wybitny przewodniczący i szef Grupy ds. Interakcji Niekowalencyjnych w IOCB Praga. Źródło: Thomas Bellon / IOCB Praga
Naukowcy wykorzystali zaawansowaną metodę skaningowej mikroskopii elektronowej i jeszcze bardziej poszerzyli jej możliwości. Metoda ta działa z rozdzielczością subatomową, dzięki czemu może obrazować nie tylko atomy w cząsteczkach, ale także strukturę powłoki elektronowej atomu. Jak podkreśla jeden ze współbadaczy, Bruno de la Torre z Czeskiego Instytutu Zaawansowanych Technologii i Badań (CATRIN) na Uniwersytecie Palackim w Ołomuńcu, powodzenie opisanego tutaj eksperymentu wynika głównie z doskonałego wyposażenia jego macierzystej instytucji oraz znakomity doktorat instytutu. studenci.
„Dzięki naszemu wcześniejszemu doświadczeniu z technologią mikroskopii sił z sondą Kelvina (KPFM) byliśmy w stanie ulepszyć nasze pomiary i uzyskać bardzo kompletne zestawy danych, które pomogły nam pogłębić wiedzę nie tylko na temat rozkładu ładunku w cząsteczkach, ale także tego, co może zaobserwowane przy użyciu tej techniki.
Pomiary eksperymentalne potwierdziły teoretyczne przewidywania istnienia dziury π. Od lewej do prawej: struktura chemiczna badanej cząsteczki, obliczona mapa potencjału elektrostatycznego cząsteczki, eksperymentalna mikrografia sił z sondą Kelvina (KPFM) i symulowany obraz KPFM. Źródło: IOCB Praga
Współczesna mikroskopia sił jest od dawna domeną badaczy Instytutu Fizyki. Nie tylko w przypadku struktur molekularnych w największym stopniu wykorzystano niespotykaną dotąd rozdzielczość przestrzenną. Jakiś czas temu potwierdzili istnienie nierównomiernego rozkładu gęstości elektronów wokół atomów halogenu, tzw. σ-dziur. Osiągnięcie to zostało opublikowane w 2021 roku przez Nauki. Do wcześniejszych i obecnych badań wniósł znaczący wkład jeden z najczęściej cytowanych obecnie czeskich naukowców, profesor Pavel Hobza z Instytutu Chemii Organicznej i Biochemii Czeskiej Akademii Nauk (IOCB Praga).
„Potwierdzenie istnienia dziury π, a także poprzedzającej ją dziury σ, w pełni ilustruje jakość teoretycznych przewidywań chemii kwantowej, które od dziesięcioleci odpowiadają za oba zjawiska. Pokazuje, że mogą one można na nim polegać nawet w przypadku braku dostępnych eksperymentów” – mówi Pavel Hobza.
Wyniki badań czeskich naukowców na poziomie subatomowym i submolekularnym można porównać z odkryciem kosmicznych czarnych dziur. Teoretyzowano o nich również przez dziesięciolecia, zanim ich istnienie zostało potwierdzone eksperymentalnie.
Lepsza wiedza na temat rozkładu ładunku elektronów pomoże społeczności naukowej przede wszystkim zrozumieć wiele procesów chemicznych i biologicznych. W praktyce przełoży się to na możliwość budowy nowych supercząsteczek, a następnie opracowania zaawansowanych nanomateriałów o ulepszonych właściwościach.
Odniesienie: „Wizualizacja dziur π w cząsteczkach za pomocą mikroskopii siłowej z sondą Kelvina”: B. Mallada, M. Ondráček, M. Lamanec, A. Gallardo, A. Jiménez-Martín, B. de la Torre, P. Hobza i B . . Jelinek, 16.08.2023, Dostępny tutaj. Komunikacja przyrodnicza.
doi: 10.1038/s41467-023-40593-3
