Čeští vědci poprvé pozorovali sigma-díry. Potvrdili tak 30 let starou teorii

Českým vědcům se podařilo potvrdit přítomnost sigma-děr u atomů halogenových prvků, které dosud existovaly jen v teorii. Využili k tomu vlastní zdokonalenou metodu rastrovací mikroskopie, která poprvé umožnila nahlédnout do světa tohoto subatomárního jevu. Přelomový výzkum, který je připodobňovaný k prvnímu přímému pozorování černé díry, se dočkal publikace v prestižním časopisu Science.

Svět atomů je velmi specifický a pro laiky i tajemný. Prostor, který obývají tyto stavební bloky hmoty, se vždy nacházel mimo naše zorné pole. Co ale uniká běžnému pohledu, rozhodně neuniklo zobrazovacím schopnostem rastrovací mikroskopie. Ta již umožnila zobrazit atomy, nyní však mohli čeští badatelé díky jejímu zdokonalení pozorovat i rozložení hustoty elektronového oblaku na atomu. Kromě již tak průlomového posunu v rozlišení zobrazovacích technik si navíc potvrdili domněnku starou třicet let. Verifikovali totiž existenci nerovností v elektronovém náboji halogenů, takzvané sigma-díry.

Mikroskop rastrující jediným atomem

V základu současného úspěchu české vědy stojí Kelvinova sonda silové mikroskopie. Jednu z nejcitlivějších zobrazovacích metod rastrovací mikroskopie se podařilo ještě více precizovat díky široké spolupráci vědeckých týmů z Fyzikálního ústavu AV ČR, Ústavu organické chemie a biochemie AV ČR, Českého institutu výzkumu a pokročilých technologií (CATRIN) a v neposlední řadě vědců z centra IT4Inovations při Vysoké škole báňské - Technické univerzitě Ostrava.

Součástí vylepšené metody Kelvinovy sondy silové mikroskopie je hrot zakončený přesně jedním atomem xenonu. Ten má sférický náboj a umožnil tak fyzikům přesnější měření. Při snímání se hrot pohybuje v těsné blízkosti povrchu zkoumaného materiálu, v prostředí vakua při teplotě téměř absolutní nuly. Jde o metodu bezkontaktní, materiálu se přímo nikdy nedotýká. Zařízení ale zaznamenává interakční sílu mezi atomem na hrotu a na povrchu materiálu a generovaná data pak počítače analyzují a přetvářejí v model. Ten potom poskytuje vědcům informace o atomárním, popřípadě molekulárním rozlišení, složení a stavu povrchu zkoumané látky.

Limitním rozlišením rastrovací mikroskopie, tedy nejmenšími strukturami, které mohli vědci tímto způsobem pozorovat, byly jednotlivé atomy. Nyní se však podařilo její citlivost posunout ještě o krok dál, za úroveň atomárního rozlišení. „Doposud neexistovala technika, která by měla dostatečné prostorové rozlišení a umožnila by zobrazit nehomogenní rozložení elektronové hustoty na atomu. Rastrovací mikroskopie umožňuje zobrazení jednotlivých atomů, ale nebyla s to dosáhnout subatomárního rozlišení,“ upozorňuje Pavel Jelínek z Fyzikálního ústavu AV ČR.

Znázornění principu experimentu

Znázornění principu experimentu: Nahoře je vidět hrot rastrovacího mikroskopu zakončeného jedním atomem xenonu (Xe). Dole mapu zobrazující nerovnoměrné rozložení atomárního náboje na halogenovém atomu bromu (Br). Modrá koruna znázorňuje kladný náboj na vrcholu atomu obklopený červeně vyznačeným záporným elektronovým oblakem. Uprostřed je pak experimentální obrázek tvaru sigma-díry.

Výzkumníci proto vypracovali vlastní teorii, která popisuje mechanismy chování a interakce mezi xenonovým hrotem a snímaným povrchem atomu bromu. Dovolila jim optimalizovat experimentální podmínky a nastavit je pro měření specifického jevu. A toto charakteristické nastavení, a tedy zpřesnění rozlišovacích schopností mikroskopu jim umožnilo vytvořit vizualizaci fenoménu na dříve nedosažitelné subatomární úrovni.

Halogeny nosí na hlavách koruny

Jevem, na který se během svého dalšího výzkumu zaměřili a kterému přizpůsobili své přístroje, bylo nesymetrické rozložení atomárního náboje na halogenových prvcích. To je ve vědecké komunitě známé jako sigma-díra a doposud existovalo pouze na papíře. Teorie, která byla vyslovena před třiceti lety, vysvětlovala určité prapodivné chování elektronového náboje v atomech halogenů.

Obr. Experimentální měření naprosto přesně potvrdila předpovědi o tvaru sigma-díry.

Jako halogeny označujeme prvky ze 17. skupiny periodické tabulky – fluor, chlor, brom, jód a astat. Jde o prvky značně reaktivní, a tak se přirozeně vyskytují vázané ve sloučeninách. Jsou součástí mnoha moderních materiálů, například plastů. Najdeme je ale i v potravinách a lécích. Využívají se ve výrobě elektronických komponentů. Svou důležitou roli hrají i v naší vlastní biologii, jsou součástí některých hormonů.

Zkoumaný brom patří k halogenům a podle principů fungování chemických vazeb by se měly jeho atomy vázané v molekule odpuzovat od atomů dusíku nebo kyslíku. Jenže už na začátku 20. století vědci pozorovali molekulární krystaly, jejichž struktura zahrnovala záporně nabité atomy halogenu a kyslíku. Ukázalo se, že se nacházejí v těsné blízkosti a nemohlo být pochyb o tom, že se přitahují. Vysvětlení tohoto podivného chování jsme se dočkali v roce 2007. Výpočty prokázaly, že elektronová hustota halogenů není ve všech místech homogenní a vyskytují se v ní nerovnosti, tedy zmíněné sigma-díry.

Ty svým tvarem připomínají korunu, ve které jinak záporný elektronový náboj přechází na vrcholcích atomů v náboj kladný a dovolují tak záporně nabitým částicím jiných atomů se více přiblížit a vytvořit pevnou molekulární strukturu. Pozorováním sigma-děr tak čeští vědci definitivně potvrdili dlouho teoretizovaný koncept vazeb halogenových prvků.

Pro potvrzení existence sigma-děr nachází Pavel Jelínek paralelu ve fyzice makrosvěta. Jde o verifikaci teorie v podobném smyslu, jako když fyzici před dvěma lety poprvé přímo pozorovali černé díry, které předpověděla obecná teorie relativity už v roce 1915. „Z tohoto pohledu zobrazení sigma-díry s jistou nadsázkou představuje podobný milník na atomární úrovni,“ vysvětluje. O významu svědčí i to, že se průlomová studie dočkala publikace také v prestižním časopisu Science.

„Tento pokrok umožní studovat chování molekul a atomů s větší přesností. Navíc tato technika v principu umožňuje také měření lokální polarizability elektronové hustoty, její odezvy na vnější elektrické pole. Pravé měření lokální polarizability elektronové hustoty na jednotlivých atomech je další vyzvou, na kterou se chceme zaměřit,“ hodnotí další přínos pro svůj obor Pavel jelínek.

Historický experiment ale není významný jen pro teoretickou chemii, fyziku a základní výzkum. Pochopení toho, jak fungují halogenové vazby, otevírá cestu možným aplikacím v chemickém inženýrství, supramolekulární chemii a biologii. „Ukazuje se, že halogenové vazby a obecně nekovalentní interakce hrají dominantní roli nejen v biologii, ale i v materiálových vědách. O to je naše současná práce v Science důležitější,“ shrnuje význam výzkumu jeho spoluautor Pavel Hobza z Ústavu organické chemie a biochemie AV ČR.

Stejně tak samotná zobrazovací metoda, kterou vědci dramaticky zpřesnili, najde další uplatnění v mnoha oborech. Například také v materiálové fyzice nebo při zkoumání biologických a chemických systémů na mikroskopické úrovni. Otevírá možnost sledovat a přesněji popsat jevy a procesy, které byly dosud mimo naše zorné pole.

Jan Hanáček, Divize vnějších vztahů SSČ AV ČR (12.11.2021)