Češi nyní představují světu prostřednictvím prestižního časopisu Science metodu, s jejíž pomocí do nitra atomu nahlédli. Díky tomu se jim podařilo potvrdit existenci jevu, takzvané sigma-díry, který byl teoreticky předpovězen, ale nebyl přímo pozorován.
Konkrétně se jedná o nerovnoměrné rozložení elektronového náboje kolem atomu halogenu (více v boxu na konci textu).
Čeští vědci byli schopni poprvé přímo pozorovat tato nesymetrická rozložení elektronové hustoty na jednotlivých atomech halogenových prvků, v jejich pokusu konkrétně bromu. Podařilo se jim to díky tomu, že citlivost rastrovací mikroskopie zvýšili atomem xenonu na hrotu sondy (patrné na úvodním obrázku po rozkliknutí).
Jde o průlomový objev, na němž se podílela hned tři pracoviště: Český institut výzkumu a pokročilých technologií (CATRIN), Fyzikální ústav Akademie věd ČR a Ústav organické chemie a biochemie Akademie věd ČR.
"Potvrzení existence teoreticky předpovězených sigma-děr je podobná situace jako pozorování černých děr, jejichž existence byla předpovězena v roce 1915 obecnou teorií relativity, ale které se podařilo poprvé spatřit teprve před dvěma lety. Z tohoto pohledu zobrazení sigma-díry s jistou nadsázkou představuje podobný milník na atomární úrovni," popisuje vědec Pavel Jelínek.
Čechům se tak navíc podařilo dramaticky zvětšit rozlišovací schopnosti takzvané rastrovací mikroskopie. Jde o technologii, která před několika lety umožnila lidem zobrazovat jednotlivé atomy. Tentokrát se díky její úpravě vědci dostali z úrovně atomů až k subatomárním jevům.
Přesná znalost rozložení elektronového náboje na atomech je nutná k pochopení interakcí mezi jednotlivými atomy a molekulami včetně chemických reakcí.
Nová zobrazovací metoda tak otevírá cestu ke zdokonalení materiálových a strukturních vlastností řady fyzikálních, biologických či chemických systémů, které ovlivňují každodenní život.
"Takzvanými nekovalentními interakcemi se zabývám celý život a je pro mě zadostiučiněním, že nyní můžeme pozorovat to, co jsme dosud 'viděli' jen v teorii, a že experimentální měření naprosto přesně potvrzují naše teoretické předpovědi existence a tvaru sigma-díry. To nám dále umožní lépe pochopit tyto interakce a interpretovat je," říká výpočetní chemik Pavel Hobza z Ústavu organické chemie a biochemie, který pokročilé kvantověchemické výpočty prováděl na superpočítačích v ostravském centru IT4Inovations.
"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," dodává Hobza.
Rastrovací mikroskop je očima i rukama vědce
Když Pavel Jelínek dostal loni právě za vyvíjené techniky rastrovací mikroskopie prestižní Cenu Rudolfa Lukeše, vysvětloval v rozhovoru pro Aktuálně.cz jak si lze představit fungování rastrovacího mikroskopu. "Princip je podobný jako u gramofonu, kde máte jehlu, kterou jezdíte po povrchu. Jen v našem mikroskopu je ta jehla ideálně zakončena jedním atomem nebo molekulou oxidu uhelnatého. To, co snímáte, je signál, který detekuje ten jeden atom či jedna molekula na konci jehly vůči povrchu," popisoval. Tentokrát vědci použili na hrot sondy atom xenonu.
Jelínek také prohlásil, že tyto mikroskopy jsou nejen očima vědce, ale přeneseně i jeho rukama. "Rastrovací mikroskopie nám nejenom umožňuje vidět jednotlivé atomy či molekuly, ale také jsme schopni s nimi pohybovat na povrchu, popřípadě vyvolávat i chemické reakce na jednotlivých molekulách pomocí přidávání či ubírání elektronů či vybuzením různých vibrací molekuly," vysvětloval.
Co je sigma-díra
Jedná se o nesymetrické rozložení elektronové hustoty na jednotlivých atomech halogenových prvků. Charakteristický tvar sigma-díry tvoří kladně nabitá koruna obklopená pásem záporné elektronové hustoty. Tento jev byl teoreticky předpovězen před třiceti lety, nyní ho definitivně potvrdili přímým pozorováním čeští vědci.
Na obrázku je srovnání teoretické předpovědi nerovnoměrného rozložení elektronového náboje na halogenovém atomu bromu a výsledků experimentu. Ukazuje, jak přesné teoretické představy vědci o sigma-díře měli a jak moc se shodovaly s tím, co čeští objevitelé viděli.
