Tajomný svet molekúl odhalený – vedci potvrdzujú desaťročia starú teóriu

Vedci experimentálne overili dlhoročnú teóriu, že hustota elektrónov je v aromatických molekulách rozložená nerovnomerne.

Vedci z ÚOCHB Praha, Fyzikálneho ústavu Českej akadémie vied a Univerzity Palackého v Olomouci opäť výrazne pokročili v odhaľovaní tajomstiev sveta molekúl a atómov. Experimentálne overili dlhodobú teóriu, ktorá naznačuje, že hustota elektrónov nie je v aromatických molekulách rovnomerne rozložená.

Tento jav výrazne ovplyvňuje fyzikálno-chemické vlastnosti molekúl a ich interakcie. Tento výskum rozširuje možnosti navrhovania nových nanomateriálov a je predmetom článku, ktorý bol práve publikovaný komunikácia prírody,

Vo svojej predchádzajúcej prelomovej štúdii publikoval rovnaký tím autorov Veda opísali nerovnomerné rozloženie elektrónov v Atom, takzvaná σ-diera. Teraz výskumníci potvrdili existenciu takzvaných π-dier. V aromatických uhľovodíkoch nájdeme elektróny v oblakoch nad a pod rovinou atómov uhlíka. Ak nahradíme periférne vodíky viac elektronegatívnymi atómami alebo skupinami atómov, ktoré odťahujú elektróny, pôvodne negatívne nabité oblaky sa zmenia na kladne nabité elektrónové diery.

Profesor Pawel Hobza, vážený predseda a vedúci skupiny nekovalentných interakcií na ÚOCHB Praha. Kredit: Tomáš Bellos / ÚOCHB Praha

Vedci prijali pokročilú metódu skenovacej elektrónovej mikroskopie a ďalej rozšírili jej možnosti. Táto metóda funguje v subatomárnom rozlíšení, a preto dokáže zobraziť nielen atómy v molekulách, ale aj štruktúru elektrónového obalu atómu. Ako vysvetľuje jeden zo zúčastnených výskumníkov Bruno de la Torre z Českého inštitútu pre pokročilé technológie a výskum (KATRIN) Univerzity Palackého v Olomouci, úspech tu opísaného experimentu je spôsobený najmä vynikajúcim zázemím v jeho domovskej inštitúcii. Vynikajúci Ph.D. Účasť študentov.

„Vďaka našim predchádzajúcim skúsenostiam s technikou Kelvin Probe Force Microscopy (KPFM) sme dokázali spresniť naše merania a získať veľmi kompletný súbor údajov, čo nám pomohlo nielen prehĺbiť naše chápanie toho, ako sú molekuly nabité. Ale aj to, aké pozorovateľné údaje sa získajú z tejto techniky,“ hovorí Bruno de la Torre.

Experimentálne merania potvrdili teoretické predpovede existencie π-dier. Zľava doprava: chemická štruktúra skúmanej molekuly, vypočítaná mapa elektrostatického potenciálu molekuly, snímka experimentálnej Kelvinovej sondy z mikroskopie sily (KPFM) a simulovaná snímka KPFM. Kredity: ÚOCHB Praha

Moderná silová mikroskopia je už dlho oblasťou výskumníkov Fyzikálneho ústavu. Nielen v prípade molekulárnych štruktúr naplno využil bezprecedentné priestorové rozlíšenie. Pred časom potvrdil existenciu nerovnomerného rozloženia hustoty elektrónov okolo atómov halogénu, takzvaných σ-dier. Tento úspech bol zverejnený v roku 2021 Veda, Do doterajšieho, ako aj súčasného výskumu významným spôsobom prispel jeden z dnes najcitovanejších českých vedcov, profesor Pavel Hobzá z Ústavu organickej chémie a biochémie Českej akadémie vied (ÚOCHB Praha).

„Potvrdenie existencie π-diery, ako aj σ-diery pred ňou, plne demonštruje kvalitu teoretických predpovedí kvantovej chémie, ktorá je už desaťročia zodpovedná za oba javy. To ukazuje, že im možno dôverovať aj pri absencii dostupných experimentov,“ hovorí Pawel Hobza.

Výsledky výskumu českých vedcov na subatomárnej a submolekulárnej úrovni možno porovnať s hľadaním kozmických čiernych dier. Tiež sa o nich teoretizovalo desaťročia predtým, ako ich existenciu potvrdili experimenty.

Lepšie poznatky o distribúcii elektrónového náboja pomôžu vedeckej komunite pochopiť mnohé chemické a biologické procesy. V praktickej rovine by sa to premietlo do schopnosti vytvárať nové supermolekuly a následne do vývoja pokročilých nanomateriálov so zlepšenými vlastnosťami.

Odkaz: „Vizualizácia π-dier v molekulách pomocou silovej mikroskopie Kelvinovej sondy“ b. Mallada, M. Ondrešek, M. Lamneck, A. Gallardo, A. Jimenez-Martin, nar. de la Torre, autori P. Hobza a P. Jellinek, 16. august 2023, komunikácia prírody,
DOI: 10.1038/s41467-023-40593-3