Odhalení tajemného světa molekul – vědci potvrzují desítky let starou teorii

Vědci experimentálně ověřili dlouhodobou teorii, že elektronová hustota je v aromatických molekulách nerovnoměrně rozložena.

Vědci z ÚOCHB Praha, Fyzikálního ústavu AV ČR a Univerzity Palackého v Olomouci opět pokročili v odhalování záhad světa molekul a atomů. Experimentálně ověřili dlouhodobou teorii, že elektronová hustota není v aromatických molekulách rovnoměrně rozložena.

Tento jev velmi ovlivňuje fyzikální a chemické vlastnosti molekul a jejich interakce. Tento výzkum rozšiřuje možnosti navrhování nových nanomateriálů a je předmětem právě publikovaného článku Příroda komunikace.

Stejný tým autorů ve své předchozí pilotní studii publikované v vědy Popište nepravidelné rozložení elektronů v kukuřice, tzv. σ díra. Nyní výzkumníci potvrdili existenci takzvané π díry. V aromatických uhlovodících se elektrony nacházejí v oblacích nad a pod rovinou atomů uhlíku. Nahradíme-li okolní atomy vodíku více elektronegativními atomy nebo skupinami atomů, které elektrony odtáhnou, původně záporně nabitá oblaka se promění v kladně nabité elektronové díry.

Profesor Pavel Hobza, vážený předseda a vedoucí skupiny nekovalentních interakcí na ÚOCHB Praha. Kredit: Thomas Bellon/ÚOCHB Praha

Vědci vzali pokročilou metodu rastrovací elektronové mikroskopie a posunuli její možnosti ještě dále. Tato metoda pracuje se subatomárním rozlišením a dokáže tak zobrazit nejen atomy v molekulách, ale i strukturu elektronového obalu atomu. Jak zdůrazňuje jeden ze spoluautorů Bruno de la Torre z Českého institutu pro pokročilé technologie a výzkum (CATRIN) Univerzity Palackého v Olomouci, úspěch zde popsaného experimentu je dán především vynikajícím zázemím jeho domovské instituce. a vynikající účast ústavu na doktorandském studiu. studentů.

„Díky našim předchozím zkušenostem s technologií Kelvinovy ​​sondové silové mikroskopie (KPFM) jsme byli schopni vylepšit naše měření a získat velmi kompletní datové sady, které nám pomohly prohloubit naše porozumění nejen tomu, jak je náboj distribuován v molekulách, ale také toho, co lze pozorovat. pomocí této techniky.

Experimentální měření potvrdilo teoretické předpovědi existence π-díry. Zleva doprava: chemické složení zkoumané molekuly, vypočítaná mapa elektrostatického potenciálu molekuly, experimentální mikrofotografie Kelvinovy ​​sondy (KPFM) a simulovaný snímek KPFM. Kredit: ÚOCHB Praha

Moderní silová mikroskopie je dlouhodobě doménou výzkumníků Fyzikálního ústavu. Nejen v případě molekulárních struktur využili nebývalého prostorového rozlišení v plné míře. Před časem potvrdili existenci nepravidelného rozložení elektronové hustoty kolem atomů halogenů, tzv. σ děr. Tento úspěch byl publikován v roce 2021 vědy. Na dosavadním i současném výzkumu se velkou měrou podílel jeden z nejcitovanějších českých vědců současnosti, profesor Pavel Hobza z Ústavu organické chemie a biochemie Akademie věd ČR (ÚOCHB Praha).

„Potvrzení existence π-díry, stejně jako σ-díry, která jí předchází, plně demonstruje kvalitu teoretických předpovědí kvantové chemie, které jsou za oba jevy po desetiletí zodpovědné. Ukazuje, že mohou spolehnout se na ně i při absenci dostupných experimentů,“ říká Pavel Hobza.

Výsledky výzkumu českých vědců na subatomární a submolekulární úrovni lze srovnat s objevem kosmických černých děr. O nich se také teoretizovalo celá desetiletí, než jejich existenci potvrdily experimenty.

Lepší znalost rozložení náboje elektronu pomůže vědecké komunitě především pochopit mnoho chemických a biologických procesů. V praktické rovině se to promítne do schopnosti vytvářet nové supermolekuly a následně vyvíjet pokročilé nanomateriály se zlepšenými vlastnostmi.

Reference: “Visualization of a π-hole in Molecules by Kelvin-Probe Force Microscopy” by B. Mallada, M. Ondráček, M. Lamanec, A. Gallardo, A. Jiménez-Martín, B. de la Torre, P. Hobza a B. Jelínek, 16. 8. 2023, Dostupné zde. Příroda komunikace.
doi: 10.1038/s41467-023-40593-3