الكشف عن عالم الجزيئات الغامض – العلماء يؤكدون نظرية عمرها عقود

أكد العلماء نظرية عمرها عقود حول التوزيع غير الموحد لكثافة الإلكترون في الجزيئات العطرية، مما يوسع احتمالات تصميم مواد نانوية جديدة. يعتمد هذا البحث على أعمالهم السابقة ويستخدم المجهر الإلكتروني الماسح المتقدم للتحليل دون الذري.

لقد تحقق الباحثون تجريبيًا من نظرية طويلة الأمد تفترض أن كثافة الإلكترون موزعة بشكل غير متساو في الجزيئات العطرية.

حقق باحثون من IOCB براغ، ومعهد الفيزياء التابع للأكاديمية التشيكية للعلوم، وجامعة بالاتسكي أولوموك، مرة أخرى تقدمًا كبيرًا في كشف أسرار عالم الجزيئات والذرات. لقد تحققوا تجريبيًا من نظرية طويلة الأمد تشير إلى أن كثافة الإلكترونات ليست موزعة بشكل موحد في الجزيئات العطرية.

تؤثر هذه الظاهرة بشكل كبير على الخواص الفيزيائية والكيميائية للجزيئات وتفاعلاتها. يوسع هذا البحث إمكانيات تصميم مواد نانوية جديدة وهو موضوع ورقة بحثية تم نشرها للتو اتصالات الطبيعة.

نفس فريق المؤلفين في دراسته الرائدة السابقة المنشورة في علوم وصف التوزيع غير المنتظم للإلكترونات في ذرة، ما يسمى حفرة σ. الآن أكد الباحثون وجود ما يسمى بثقب π. وفي الهيدروكربونات العطرية، نجد الإلكترونات في السحب أعلى وأسفل مستوى ذرات الكربون. إذا استبدلنا ذرات الهيدروجين المحيطية بذرات أكثر سالبية كهربية أو مجموعات من الذرات التي تسحب الإلكترونات بعيدًا، فإن السحب سالبة الشحنة في الأصل تتحول إلى ثقوب إلكترونية موجبة الشحنة.

البروفيسور بافيل هوبزا، الرئيس المتميز ورئيس مجموعة التفاعلات غير التساهمية في IOCB براغ. الائتمان: توماس بيلون / IOCB براغ

لقد اتخذ العلماء الطريقة المتقدمة لمسح المجهر الإلكتروني ودفعوا قدراته إلى أبعد من ذلك. تعمل هذه الطريقة بدقة دون ذرية، وبالتالي لا يمكنها تصوير الذرات في الجزيئات فحسب، بل يمكنها أيضًا تصوير بنية الغلاف الإلكتروني للذرة. وكما يشير أحد الباحثين المشاركين، برونو دي لا توري من المعهد التشيكي للتكنولوجيا المتقدمة والأبحاث (CATRIN) بجامعة بالاتسكي أولوموك، فإن نجاح التجربة الموصوفة هنا يرجع بشكل أساسي إلى المرافق الممتازة في مؤسسته المحلية والمعهد مشاركة دكتوراه ممتازة. طلاب.

“بفضل تجربتنا السابقة مع تقنية مجهر قوة مسبار كلفن (KPFM)، تمكنا من تحسين قياساتنا والحصول على مجموعات بيانات كاملة جدًا ساعدتنا على تعميق فهمنا ليس فقط لكيفية توزيع الشحنة في الجزيئات. يقول برونو دي لا توري: “ولكن أيضًا فيما يتعلق بالأشياء التي يمكن ملاحظتها باستخدام هذه التقنية”.

وأكدت القياسات التجريبية التنبؤات النظرية بوجود ثقب π. من اليسار إلى اليمين: التركيب الكيميائي للجزيء الذي تم فحصه، وخريطة الجهد الكهروستاتيكية المحسوبة للجزيء، وصورة مجهرية قوة مسبار كلفن التجريبية (KPFM)، وصورة KPFM المحاكاة. الائتمان: IOCB براغ

لقد كان مجهر القوة الحديث لفترة طويلة مجالًا للباحثين في معهد الفيزياء. ليس فقط في حالة الهياكل الجزيئية، فقد استخدموا الدقة المكانية غير المسبوقة إلى أقصى حد. منذ فترة أكدوا وجود توزيع غير منتظم لكثافة الإلكترونات حول ذرات الهالوجين، ما يسمى بثقوب σ. تم نشر هذا الإنجاز في عام 2021 بواسطة علوم. وقد ساهم في البحث السابق والحالي بشكل كبير أحد العلماء التشيكيين الأكثر استشهادًا اليوم، البروفيسور بافيل هوبزا من معهد الكيمياء العضوية والكيمياء الحيوية التابع للأكاديمية التشيكية للعلوم (IOCB براغ).

“إن تأكيد وجود الثقب π، وكذلك الثقب σ الذي يسبقه، يوضح بشكل كامل جودة التنبؤات النظرية لكيمياء الكم، والتي كانت مسؤولة عن كلتا الظاهرتين لعقود من الزمن. يقول بافيل هوبزا: “إن ذلك يوضح أنه يمكن الاعتماد عليها حتى في غياب التجارب المتاحة”.

يمكن مقارنة نتائج أبحاث العلماء التشيكيين على المستوى دون الذري ودون الجزيئي باكتشاف الثقوب السوداء الكونية. لقد تم أيضًا وضع نظريات لها لعقود من الزمن قبل تأكيد وجودها بالتجارب.

إن المعرفة الأفضل بتوزيع شحنة الإلكترون ستساعد المجتمع العلمي على فهم العديد من العمليات الكيميائية والبيولوجية في المقام الأول. وعلى المستوى العملي، سوف يُترجم ذلك إلى القدرة على بناء جزيئات فائقة جديدة ومن ثم تطوير مواد نانوية متقدمة ذات خصائص محسنة.

المرجع: “تصور ثقب π في الجزيئات عن طريق الفحص المجهري لقوة مسبار كلفن” بقلم B. Mallada، M. Ondráček، M. Lamanec، A. Gallardo، A. Jiménez-Martín، B. de la Torre، P. Hobza و ب. جيلينك، 16 أغسطس 2023، اتصالات الطبيعة.
دوى: 10.1038/s41467-023-40593-3