Vědci z Fyzikálního ústavu a ÚOCHB AV ČR a Univerzity Palackého v Olomouci znovu úspěšně odkrývají tajemství světa molekul a atomů. Experimentem potvrdili správnost dekády staré teorie, která předpokládala nerovnoměrné rozložení elektronové hustoty v aromatických molekulách Tento jev významně ovlivňuje fyzikálně-chemické vlastnosti molekul i jejich interakce. Zmíněný výzkum rozšiřuje možnosti designování nových nanomateriálů a článek o něm aktuálně zveřejnil vědecký časopis Nature Communications.
Experimentální měření potvrdila teoretické předpovědi existence π-díry
V předchozí přelomové studii popsal stejný autorský tým v časopise Science nerovnoměrné rozložení elektronů v atomu, tzv σ-díru. Nyní výzkumníci potvrdili existenci tzv. π-díry. V aromatických uhlovodících najdeme aromatické elektrony v oblacích nad a pod uhlikovym skeletem. Nahradíme-li periferní vodíky elektronegativnějšími atomy či skupinami atomů které odtahují elektrony, změní se původně záporně nabité oblaky na kladně nabité elektronové díry.
Vědci využili pokročilou metodu rastrovací mikroskopie a dál posunuli její možnosti. Zmíněná metoda pracuje v subatomárním rozlišení a dokáže proto zobrazit nejen atomy v molekulách, ale i strukturu elektronového obalu atomu. Jak připomíná jeden ze zainteresovaných výzkumníků, Bruno de la Torre, vedoucí vědecké skupiny z Českého institutu výzkumu a pokročilých technologií UPOL (CATRIN), za úspěchem popsaného experimentu stojí zejména skvělé vybavení jeho domovského pracoviště a účast vynikajících doktorandů.
„Díky našim předchozím zkušenostem s technikou silové mikroskopie s Kelvinovou sondou s funkcionalizovanými hroty (KPFM) jsme byli schopni naše měření zpřesnit a získat velmi kompletní soubory dat, které nám pomohly prohloubit naše znalosti nejen o tom, jak je v molekulách rozložen náboj, ale také o tom, jaké pozorovatelné údaje se touto technikou získávají,“ popisuje Bruno de la Torre.
Fyzik Pavel Jelínek, nositel ceny České chemické společnosti
Moderní silová mikroskopie je doménou výzkumníků z Fyzikálního ústavu dlouhodobě. Nebývalé prostorové rozlišení naplno využili nejen v případě molekulárních struktur. Před časem potvrdili existenci nerovnoměrného rozložení elektronové hustoty kolem atomů halogenů, tzv. σ-děr. Tento úspěch zaznamenal v roce 2021 jeden z nejuznávanějších světových vědeckých časopisů, časopis Science. Na tehdejším i současném výzkumu se významně podílel i jeden z nejcitovanějších českých vědců současnosti prof. Pavel Hobza z ÚOCHB AV ČR.
„Potvrzení existence π-díry stejně jako před tím σ-díry plně dokládá, jak kvalitní jsou teoretické předpovědi kvantové chemie, které s oběma jevy počítají už celá desetiletí. Ukazuje se, že se na ně lze spolehnout i v případě, kdy chybí dostupný experiment,“ říká Pavel Hobza.
Výsledky výzkumu českých vědců na subatomární a submolekulární úrovni je možné přirovnat k objevu vesmírných černých děr. I s nimi totiž desítky let počítala teorie, než jejich existenci potvrdil experiment. Vědeckému světu pomůže lepší znalost rozložení elektronového náboje v první řadě pochopit řadu chemických i biologických procesů. V praktické rovině se promítne do schopnosti stavět nové supramolekuly a následně ve vývoji moderních nanomateriálů s vylepšenými vlastnostmi.
Mallada, B., Ondráček, M., Lamanec, M., Gallardo, A., Jiménez-Martin, A., de la Torre, B., Hobza, P., Jelínek, P. Visualization of π-hole in molecules by means of Kelvin probe force microscopy. Nat Commun 14, 4954 (2023).
doi.org/10.1038/s41467-023-40593-3