Vědci z Univerzity Palackého, Ústavu organické chemie a biochemie (ÚOCHB) a Fyzikálního ústavu AV ČR znovu úspěšně odkryli 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 designu nových nanomateriálů. Článek o něm zveřejnil vědecký časopis Nature Communications.
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 uhlíkovým 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 Bruno de la Torre, vedoucí vědecké skupiny z Českého institutu výzkumu a pokročilých technologií UP (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,“ uvedl Bruno de la Torre.
Moderní silová mikroskopie je doménou výzkumníků z Fyzikálního ústavu a CATRIN 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 – Science. Na tehdejším i současném výzkumu se významně podílel i jeden z nejcitovanějších českých vědců současnosti Pavel Hobza z ÚOCHB.
„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,“ řekl 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.