Rastrovací mikroskopy mohou stanovit elektronegativitu atomů

Nový pohled na popis chemických vlastností prvků přináší metoda českých a japonských badatelů, kterou zveřejnil prestižní časopis Nature Communications. Díky ní dokáží vědci pomocí nejmodernějších rastrovacích mikroskopů pozorovat nejen jednotlivé atomy na povrchu pevných látek, ale také měřit jejich schopnost přitahovat elektrony, tedy jejich elektronegativitu. Nová metoda mimo jiné umožňuje stanovení elektronegativity daného atomu v závislosti na jeho chemickém okolí. Tímto otevírá cestu k hlubšímu pochopení podstaty chemické vazby a chemických procesů na atomární úrovni. Nové poznatky by mohly umožnit řízení chemických reakcí například v katalýze nebo biochemii.

Elektronegativita mimo jiné určuje schopnost daného atomu reagovat s okolím a vytvářet chemické vazby. Donedávna ji vědci dokázali určit pouze pomocí technik, které pracovaly s velkým souborem atomů. Tudíž možnost stanovení elektronegativity daného atomu v závislosti na chemickém okolí nebylo doposud možné. Změnu přinesl až výzkum odborníků z Fyzikálního ústavu Akademie věd ČR, Univerzity Palackého v Olomouci a Tokijské univerzity.

Schematické znázornění měření interakčních sil mezi hrotem mikroskopu atomárních sil a atomy na povrchu pevné látky. Různá interakční energie E hrotu mikroskopu s různými povrchovými atomy umožňuje získat informace o elektronegativitě jednotlivých atomů nejen vzhledem k jejich chemickému původu, ale také v závislosti na jejich chemickém okolí. Obrázek vykresluje elektronovou hustotu v okolí atomů, jejíž rozdíl mezi jednotlivými atomy nepřímo udává velikost elektronegativity daného atomu.

„Nová metoda dokáže pomocí mikroskopie atomárních sil nejen stanovit elektronegativitu daného atomu na povrchu pevné látky, ale je schopna určit i její závislost na chemickém okolí měřeného atomu. To dříve nebylo možné. Základem výzkumu byly experimentální měření vazebných energií povrchových atomů podpořené teoretickými výpočty. Tato studie umožnila navrhnout metodu, která ukazuje, jak chemické okolí ovlivňuje elektronegativitu daného atomu. „Tyto znalosti můžeme využít k cílenému řízení chemických reakcí,“ uvedl jeden z autorů článku Pavel Jelínek, který působí ve Fyzikálním ústavu AV ČR a Regionálního centra pokročilých technologií a materiálů (RCPTM) Univerzity Palackého v Olomouci. Autorský tým navázal na vlastní práci z roku 2007, kterou tehdy na titulní stránce zveřejnil časopis Nature. Nová metoda však překonává omezení původního postupu chemické identifikace atomů a umožňuje určit totožnost chemických prvků s různou elektronegativitou.

„Prokázali jsme, že dosavadní údaje o elektronegativitě prvků platí pouze v případě izolovaných atomů. Naše metoda umožňuje určit její změnu na základě chemického okolí atomu. Tím získáváme nový, komplexní pohled na elektronegativitu, a tudíž je třeba se trochu jinak dívat i na s ní související podstatu vazeb v chemických sloučeninách a na samotnou chemickou reaktivitu.“ uvedl jeden z autorů článku Pavel Jelínek z Fyzikálního ústavu AV ČR. V periodické tabulce jsou nejelektronegativnější halogeny v čele s fluorem, nejméně elektronegativní jsou alkalické kovy.

Vědci analýzou dat rovněž prokázali charakteristickou lineární závislost mezi vazebnými energiemi povrchových atomů různého chemického původu. Experimentálně tak prokázali platnost rovnice nositele Nobelovy ceny Linuse Paulinga pro polární kovalentní vazbu z 30. let minulého století.

J. Onoda, M. Ondáček, P. Jelínek, Y. Sugimoto, Electronegativity determination of individual surface atoms by atomic force microscopy, Nature Communications 8, 15155 (2017).