直接觀察亞原子的結構超出了現有成像方法的能力。然而，捷克科學家開發出一種方法，使他們成為世界上第一個觀察到鹵素原子周圍不均勻電子電荷分佈的方法，從而證實了理論上預測但從未直接觀察到的現象的存在——原子上的“黑洞”。這一突破有助於我們進一步理解單個原子或分子之間的相互作用以及化學反應，並開闢了一條改進各種物理、生物和化學的材料和結構特性的途徑。他們的論文的上個月發表在Science上。
在廣泛的跨學科合作中，來自奧洛穆茨帕拉茨基大
”黑洞“電腦合成圖
在廣泛的跨學科合作中，來自奧洛穆茨帕拉茨基大學捷克先進技術研究所 (CATRIN)、捷克科學院物理研究所 (FZU)、捷克科學院有機化學和生物化學研究所的科學家們(IOCB 布拉格)和 VSB 的 IT4Innovations 超級計算中心——俄斯特拉發技術大學已經成功地顯著提高了掃描顯微鏡的解析度能力。幾年前，它使人類能夠對單個原子進行成像，從而超越原子水平到亞原子水平。現在，科學家們第一次直接觀察到鹵素元素單個原子上的不對稱電子密度分佈，即所謂的 sigma-hole。換句話說，他們明確地證實了它的存在。
Sigma-hole，大約 30 年前人們就給出了理論上的預言，證實它的存在性是科學界長期存在的挑戰之一。
銀河星團
“確認sigma-holes 的存在與觀察黑洞沒有什麼不同，儘管廣義相對論在 1915 年預測了黑洞，但直到兩年前才被證實。” FZU 和 CATRIN 的 Pavel Jelínek 解釋道，他是表面分子結構物理和化學性質的理論和實驗研究的領先專家固體物質。
到目前為止，被稱為 sigma-hole 的現象的存在已經透過具有鹵素鍵的 X 射線晶體結構間接證明，這揭示了一個令人驚訝的現實，即一個分子裡鹵素原子與第二個分子裡氮或氧原子經化學鍵合，它們本應相互排斥，但現在卻靠得很近。這一觀察結果與原子攜帶同質負電荷並透過靜電力相互排斥的結論明顯矛盾。
這促使科學家們使用開爾文探針力顯微鏡檢查鹵素的亞原子結構。他們首先開發了一種刻畫開爾文探針原子解析度機制的理論，這使他們能夠最佳化成像 sigma-holes的實驗條件。隨後將實驗測量和先進的量子化學方法相結合，取得了突破——首次對非均勻電子密度電荷分佈(即sigma-holes)進行實驗視覺化——並最終確認了鹵素鍵的概念。
“我們用單個氙原子對尖端探針進行功能化，提高了開爾文探針力顯微鏡的靈敏度，這使我們能夠觀察溴化四苯甲烷分子內溴原子的不均勻電荷分佈，並證實了理論預測。”CATRIN 和 FZU 的 Bruno de la Torre 說。
原子模型
“當我第一次看到 sigma-hole 時，我當然持懷疑態度，因為這意味著我們已經克服了顯微鏡下到亞原子水平的解析度限制。當我消化了這一點，我為我們的貢獻感到自豪，推動實驗科學突破既往極限，並很高興為其他研究人員開闢了一條道路，讓他們走得更遠，並將這些知識應用於發現單原子水平的新效應。”de la Torre 補充道。
Sigma-hole 的特徵形狀是由帶正電的冠部形成的，周圍是負電子密度的帶。這種不均勻的電荷分佈導致形成鹵素鍵，這在包括分子晶體工程在內的超分子化學和生物系統中起著關鍵作用。
精確瞭解原子上的電子電荷分佈對於理解單個原子和分子之間的相互作用(包括化學反應)是必要的。因此，新的成像方法為改善影響日常生活的許多物理、生物和化學系統的材料和結構特性打開了大門。
