Vëzhgimi i parë i shpërndarjes johomogjene të ngarkesës së elektronit në një atom

Deri më tani, vëzhgimi i strukturave nënatomike ishte përtej aftësive të aparati fotografik, dhe kjo dukej e pamundur të ndryshonte. Shkencëtarët çekë, megjithatë, kanë paraqitur një metodë me të cilën ata u bënë të parët në botë që vëzhguan një shpërndarje johomogjene të ngarkesës së elektronit rreth një atomi halogjen, duke konfirmuar kështu ekzistencën e një fenomeni që ishte parashikuar teorikisht, por kurrë nuk ishte vëzhguar drejtpërdrejt. E krahasueshme me vëzhgimin e parë të një vrime të zezë, zbulimi do të lehtësojë kuptimin e ndërveprimeve midis atomeve ose molekulave individuale, si dhe të reaksioneve kimike, dhe hap një rrugë për përsosjen e vetive materiale dhe strukturore të vetive të ndryshme fizike, biologjike dhe kimike.

Në një bashkëpunim të gjerë ndërdisiplinor, shkencëtarë nga Instituti Çek i Teknologjisë dhe Kërkimeve të Avancuara (CATRIN) të Universitetit Palacký Olomouc, Instituti i Fizikës i Akademisë Çeke të Shkencave (FZU), Instituti i Kimisë Organike dhe Biokimisë i Akademisë Çeke të Shkencave (IOCB Prague), dhe Qendra Superkompjuterike IT4Inovations në VSB – Universiteti Teknik i Ostravës kanë arritur të rrisin në mënyrë dramatike aftësitë e rezolucionit të mikroskopit skanues, i cili disa vite më parë i mundësoi njerëzimit të imazhojë atomet individuale, dhe kështu kanë kaluar përtej nivelit atomik në ato nënatomike. dukuritë. Shkencëtarët, për herë të parë, kanë vëzhguar drejtpërdrejt një shpërndarje asimetrike të densitetit të elektroneve në atome të vetme të elementeve halogjene, të ashtuquajturat sigma-vrima. Duke vepruar kështu, ata kanë konfirmuar përfundimisht ekzistencën e saj, të parashikuar teorikisht rreth 30 vjet më parë dhe kanë kapërcyer një nga sfidat e kahershme të shkencës.

“Konfirmimi i ekzistencës së vrimave sigma të parashikuara teorikisht nuk është ndryshe nga vëzhgimi i vrimave të zeza, të cilat nuk ishin parë kurrë deri vetëm dy vjet më parë, pavarësisht se ishin parashikuar në vitin 1915 nga teoria e përgjithshme e relativitetit. Shikuar në këtë kuptim, nuk është shumë e ekzagjeruar të thuhet se imazhi i vrimës sigma përfaqëson një moment historik të ngjashëm në nivelin atomik,” shpjegon Pavel Jelínek nga FZU dhe CATRIN, një ekspert kryesor në studimin teorik dhe eksperimental të vetitë fizike dhe kimike të strukturave molekulare në sipërfaqen e substancave të ngurta.

Deri më tani, ekzistenca e fenomenit të njohur si një vrimë sigma ishte demonstruar indirekt nga strukturat kristalore me rreze X me një lidhje halogjene, e cila zbuloi realitetin befasues që atomet halogjene të lidhura kimikisht të një molekule dhe atomet e azotit ose oksigjenit të një sekonde. molekula, të cilat duhet të zmbrapsin njëra-tjetrën, janë në afërsi dhe kështu tërheqin njëra-tjetrën. Ky vëzhgim ishte në kundërshtim të hapur me premisën se këto atome mbajnë një ngarkesë negative homogjene dhe sprapsin njëri-tjetrin përmes forcës elektrostatike.

Kjo i bëri shkencëtarët të ekzaminonin strukturën nënatomike të halogjenit duke përdorur mikroskopin e forcës së sondës Kelvin. Ata filluan duke zhvilluar një teori që përshkruan mekanizmin e zgjidhjes atomike të sondës Kelvin, e cila i lejoi ata të optimizonin kushtet eksperimentale për imazhin e vrimave sigma. Kombinimi pasues i matjeve eksperimentale dhe metodave të avancuara kimike kuantike rezultoi në një zbulim të jashtëzakonshëm – vizualizimi i parë eksperimental i një shpërndarjeje johomogjene të ngarkesës me densitet elektronik, d.m.th. një vrimë sigma – dhe konfirmimin përfundimtar të konceptit të lidhjeve halogjene.

“Ne përmirësuam ndjeshmërinë e mikroskopit tonë të forcës së sondës Kelvin duke funksionalizuar sondën e majës me një atom të vetëm ksenoni, i cili na lejoi të përfytyronim shpërndarjen johomogjene të ngarkesës në një atom bromi brenda një molekule tetrafenilmetani të brominuar, domethënë një vrimë sigma në hapësirën reale dhe konfirmoni parashikimin teorik”, thotë Bruno de la Torre nga CATRIN dhe FZU.

“Kur pashë sigma-vrimën për herë të parë, sigurisht që isha skeptik, sepse kjo nënkuptonte se kishim kapërcyer kufirin e rezolucionit të mikroskopëve deri në nivelin nënatomik. Pasi e pranova këtë, u ndjeva edhe krenar për kontributin tonë në shtyrjen e kufijve të eksperimentit dhe i kënaqur që u hapa një rrugë studiuesve të tjerë për të shkuar më tej dhe për të aplikuar këtë njohuri në zbulimin e efekteve të reja në nivelin e një atomi,” shton. de la Torre.

Sipas shkencëtarëve, aftësia për të imazhuar një shpërndarje johomogjene të ngarkesës me densitet elektronik në atome individuale, ndër të tjera, do të çojë në një kuptim më të mirë të reaktivitetit të molekulave individuale dhe arsyes së rregullimit të strukturave të ndryshme molekulare. “Unë mendoj se është e sigurt të thuhet se imazhet me rezolucion nënatomik do të kenë një ndikim në fusha të ndryshme të shkencës, duke përfshirë kiminë, fizikën dhe biologjinë,” thotë Jelínek.

“Kam studiuar ndërveprimet jokovalente gjatë gjithë jetës sime dhe më jep kënaqësi të madhe që tani mund të vëzhgojmë diçka që më parë mund ta “shikonim” vetëm në teori dhe që matjet eksperimentale konfirmojnë saktësisht premisën tonë teorike të ekzistencës dhe formës së sigma-vrima. Do të na lejojë t’i kuptojmë më mirë këto ndërveprime dhe t’i interpretojmë ato,” thotë kimisti llogaritës Pavel Hobza i IOCB Pragë, i cili kreu llogaritjet e avancuara kimike kuantike në superkompjuterët në IT4Inovations në Ostrava. “Ajo që po shohim është se lidhjet halogjene dhe ndërveprimet jokovalente në përgjithësi luajnë një rol dominues jo vetëm në biologji, por edhe në shkencën e materialeve. Kjo e bën punimin tonë aktual në Science edhe më të rëndësishëm,” shton Hobza.

Forma karakteristike e vrimës sigma formohet nga një kurorë e ngarkuar pozitivisht e rrethuar nga një rrip me densitet elektronik negativ. Kjo shpërndarje johomogjene e ngarkesës çon në formimin e një lidhje halogjene, e cila luan një rol kyç, ndër të tjera, në kiminë supramolekulare, duke përfshirë inxhinierinë molekulare të kristaleve dhe në sistemet biologjike.

Një njohuri e saktë e shpërndarjes së ngarkesës së elektroneve në atome është e nevojshme për të kuptuar ndërveprimet midis atomeve dhe molekulave individuale, duke përfshirë reaksionet kimike. Kështu, metoda e re e imazhit hap derën për përsosjen e vetive materiale dhe strukturore të shumë sistemeve fizike, biologjike dhe kimike që ndikojnë në jetën e përditshme.