Forskare från Institutet för organisk kemi och biokemi i Prag, Institutet för fysik vid den tjeckiska vetenskapsakademin och Palacký University Olomouc har återigen framgångsrikt avslöjat mysterierna i molekylernas och atomernas värld.
De har experimentellt bekräftat riktigheten av en decennier gammal teori som antog en ojämn fördelning av elektrondensitet i aromatiska molekyler. Detta fenomen påverkar avsevärt de fysikalisk-kemiska egenskaperna hos molekyler och deras interaktioner. Denna forskning utökar möjligheterna att designa nya nanomaterial och är temat för en artikel som har publicerats i Nature Communications .
Samma team av författare i sin tidigare studie publicerad i Science beskrev den ojämna fördelningen av elektroner i en atom, det så kallade σ-hålet.
Nu har forskarna bekräftat förekomsten av det så kallade π-hålet. I aromatiska kolväten hittar vi elektroner i moln ovanför och under kolatomernas plan. Om vi ersätter de perifera vätena med fler elektronegativa atomer eller grupper av atomer som drar bort elektroner, förvandlas de ursprungligen negativt laddade molnen till positivt laddade elektronhål.
Forskare har tagit den avancerade metoden för svepelektronmikroskopi och drivit dess kapacitet ytterligare. Metoden fungerar med subatomär upplösning och kan därför avbilda inte bara atomer i molekyler utan även strukturen hos en atoms elektronskal.
Som en av de inblandade forskarna, Bruno de la Torre från det tjeckiska institutet för avancerad teknologi och forskning (CATRIN) vid Palacký University Olomouc, påpekar, beror framgången med experimentet som beskrivs här främst på de utmärkta faciliteterna vid hans heminstitution och medverkan av utmärkt Ph.D. studenter.
"Tack vare vår tidigare erfarenhet av tekniken Kelvin Probe Force Microscopy (KPFM) har vi kunnat förfina våra mätningar och skaffa mycket kompletta datamängder som har hjälpt oss att fördjupa vår förståelse inte bara av hur laddningen är fördelad i molekylerna men också vad som kan observeras med tekniken, säger Bruno de la Torre.
Modern kraftmikroskopi har länge varit en domän för forskare vid Fysiska institutet. Inte bara när det gäller molekylära strukturer har de använt den oöverträffade rumsliga upplösningen till fullo. För en tid sedan bekräftade de förekomsten av en ojämn fördelning av elektrondensitet runt halogenatomer, de så kallade σ-hålen.
Denna prestation publicerades 2021 av Science . Den förra såväl som nuvarande forskningen bidrog en av de mest citerade tjeckiska forskarna i dag till, Prof. Pavel Hobza från Institutet för organisk kemi och biokemi vid Tjeckiska vetenskapsakademin (IOCB Prag).
"Bekräftelsen av existensen av π-hålet, såväl som σ-hålet före det, visar till fullo kvaliteten på kvantkemins teoretiska förutsägelser, som har stått för båda fenomenen i årtionden. Det visar att de kan litas på även i frånvaro av tillgängliga experiment", säger Pavel Hobza.
Resultaten av tjeckiska forskares forskning på subatomär och submolekylär nivå kan jämföras med upptäckten av kosmiska svarta hål. De hade också teoretiserats i decennier innan deras existens bekräftades av experiment.
En bättre kunskap om fördelningen av elektronladdningen kommer att hjälpa forskarvärlden att förstå många kemiska och biologiska processer i första hand. På en praktisk nivå kommer det att översättas till förmågan att bygga nya supramolekyler och därefter till utvecklingen av avancerade nanomaterial med förbättrade egenskaper.
Mer information: B. Mallada et al, Visualisering av π-hål i molekyler med hjälp av Kelvin-sondkraftsmikroskopi, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-40593-3
Journalinformation: Nature Communications , Vetenskap
Tillhandahålls av Institute of Organic Chemistry and Biochemistry i CAS
