揭示分子的神秘世界——科学家证实了几十年前的理论

研究人员通过实验验证了一个长期存在的理论，即电子密度在芳香族分子中分布不均匀。

来自布拉格IOCB、捷克科学院物理研究所和奥洛穆茨帕拉茨基大学的研究人员在解开分子和原子世界的奥秘方面再次取得了重大进展。 他们通过实验验证了一个长期存在的理论，即电子密度在芳香族分子中分布不均匀。

这种现象极大地影响了分子的物理和化学性质及其相互作用。 这项研究扩展了设计新纳米材料的可能性，并且是刚刚发表的论文的主题 自然通讯。

与之前发表的开创性研究的作者团队相同 科学 描述电子的不规则分布… 玉米，即所谓的孔σ。 现在研究人员已经证实了所谓的π孔的存在。 在芳香烃中，电子存在于碳原子平面上方和下方的云中。 如果我们用更多电负性原子或原子团取代周围的氢原子，将电子拉走，原来带负电的云就会变成带正电的电子空穴。

Pavel Hobza 教授，IOCB 布拉格杰出主席兼非共价相互作用小组负责人。 图片来源：Thomas Bellon / IOCB 布拉格

科学家们采用了扫描电子显微镜的先进方法，并进一步提升了其功能。 该方法具有亚原子分辨率，因此不仅可以对分子中的原子进行成像，还可以对原子电子壳层的结构进行成像。 合著者之一、奥洛穆茨帕拉茨基大学捷克先进技术与研究所（CATRIN）的布鲁诺·德拉托雷指出，这里描述的实验的成功主要归功于他所在机构的优良设施以及该研究所优秀的博士参与。 学生。

“凭借我们之前在开尔文探针力显微镜 (KPFM) 技术方面的经验，我们能够改进测量并获得非常完整的数据集，这不仅帮助我们加深了对电荷在分子中如何分布的理解，而且还加深了对可以观察到的内容的理解使用这种技术。

实验测量证实了 π 孔存在的理论预测。 从左到右：所研究分子的化学结构、计算的分子静电势图、实验开尔文探针力显微照片 (KPFM) 和模拟 KPFM 图像。 图片来源：IOCB 布拉格

现代力显微镜长期以来一直是物理研究所研究人员的研究领域。 不仅在分子结构方面，他们还最大限度地利用了前所未有的空间分辨率。 不久前，他们证实了卤素原子周围存在不规则的电子密度分布，即所谓的σ空穴。 该成果于2021年由 科学。 先前和当前的研究得到了当今被引用最多的捷克科学家之一、捷克科学院有机化学和生物化学研究所（IOCB 布拉格）的 Pavel Hobza 教授的巨大贡献。

“对 π 空穴及其之前的 σ 空穴存在的确认，充分说明了量子化学理论预测的质量，几十年来，量子化学一直是这两种现象的原因。这表明它们可以即使在没有可用实验的情况下，我们也可以依赖它。”帕维尔·霍布扎 (Pavel Hobza) 说道。

捷克科学家在亚原子和亚分子水平上的研究成果可以与宇宙黑洞的发现相媲美。 在实验证实它们的存在之前，它们的理论也已经存在了几十年。

更好地了解电子的电荷分布将有助于科学界首先了解许多化学和生物过程。 在实践层面上，这将转化为构建新超分子并随后开发具有改进性能的先进纳米材料的能力。

参考文献：“通过开尔文探针力显微镜可视化分子中的 π 孔”作者：B. Mallada、M. Ondráček、M. Lamanec、A. Gallardo、A. Jiménez-Martín、B. de la Torre、P. Hobza和B.. 耶利内克，2023 年 8 月 16 日， 自然通讯。
号码：10.1038/s41467-023-40593-3