Wetenschappers hebben een tientallen jaren oude theorie over de niet-uniforme verdeling van de elektronendichtheid in aromatische moleculen bevestigd, waardoor de mogelijkheden voor het ontwerpen van nieuwe nanomaterialen zijn uitgebreid. Dit onderzoek bouwt voort op hun eerdere werk en maakt gebruik van geavanceerde scanning-elektronenmicroscopie voor subatomaire analyse.
Onderzoekers hebben experimenteel een al lang bestaande theorie geverifieerd dat de elektronendichtheid ongelijk verdeeld is in aromatische moleculen.
Onderzoekers van IOCB Praag, het Instituut voor Natuurkunde van de Tsjechische Academie van Wetenschappen en Palatski Universiteit Olomouc hebben opnieuw grote vooruitgang geboekt bij het ontrafelen van de mysteries van de wereld van moleculen en atomen. Ze hebben experimenteel een al lang bestaande theorie geverifieerd dat de elektronendichtheid niet uniform verdeeld is in aromatische moleculen.
Dit fenomeen heeft een grote invloed op de fysische en chemische eigenschappen van moleculen en hun interacties. Dit onderzoek breidt de mogelijkheden voor het ontwerpen van nieuwe nanomaterialen uit en is het onderwerp van een zojuist gepubliceerd artikel Natuurcommunicatie.
Hetzelfde team van auteurs heeft in haar vorige pilotstudie gepubliceerd in Wetenschappen Beschrijf de onregelmatige verdeling van elektronen in maïs, het zogenaamde σ-gat. Nu hebben onderzoekers het bestaan van een zogenaamd π-gat bevestigd. In aromatische koolwaterstoffen worden elektronen aangetroffen in wolken boven en onder het vlak van de koolstofatomen. Als we de omringende waterstofatomen vervangen door meer elektronegatieve atomen of groepen atomen die de elektronen wegtrekken, veranderen de oorspronkelijk negatief geladen wolken in positief geladen elektronengaten.
Professor Pavel Hobza, vooraanstaande voorzitter en hoofd van de Non-Covalent Interactions Group bij IOCB Praag. Krediet: Thomas Bellon/IOCB Praag
Wetenschappers hebben de geavanceerde methode van scanning-elektronenmicroscopie overgenomen en de mogelijkheden ervan nog verder uitgebreid. Deze methode werkt met subatomaire resolutie en kan dus niet alleen atomen in moleculen in beeld brengen, maar ook de structuur van de elektronenschil van een atoom. Zoals een van de co-auteurs, Bruno de la Torre van het Tsjechische Instituut voor Geavanceerde Technologie en Onderzoek (CATRIN) aan de Palatski Universiteit Olomouc, opmerkt, is het succes van het hier beschreven experiment voornamelijk te danken aan de uitstekende faciliteiten in zijn thuisinstelling. en de uitstekende PhD-deelname van het instituut. studenten.
“Dankzij onze eerdere ervaringen met Kelvin probe force microscopy (KPFM)-technologie konden we onze metingen verbeteren en zeer complete datasets verkrijgen die ons hielpen ons begrip te verdiepen, niet alleen van hoe de lading in moleculen wordt verdeeld, maar ook van wat kan worden waargenomen met behulp van deze techniek.
Experimentele metingen bevestigden theoretische voorspellingen van het bestaan van een π-gat. Van links naar rechts: chemische structuur van het onderzochte molecuul, berekende elektrostatische potentiaalkaart van het molecuul, experimentele Kelvin-sondekrachtmicrofoto (KPFM) en gesimuleerd KPFM-beeld. Krediet: IOCB Praag
Moderne krachtmicroscopie is lange tijd het domein geweest van onderzoekers van het Institute of Physics. Niet alleen in het geval van moleculaire structuren maakten ze optimaal gebruik van de ongekende ruimtelijke resolutie. Enige tijd geleden bevestigden ze het bestaan van een onregelmatige verdeling van de elektronendichtheid rond halogeenatomen, de zogenaamde σ-gaten. Deze prestatie werd in 2021 gepubliceerd door Wetenschappen. Aan het eerdere en huidige onderzoek is een grote bijdrage geleverd door een van de meest geciteerde Tsjechische wetenschappers van dit moment, professor Pavel Hobza van het Instituut voor Organische Chemie en Biochemie van de Tsjechische Academie van Wetenschappen (IOCB Praag).
“De bevestiging van het bestaan van het π-gat, evenals het σ-gat dat eraan voorafgaat, demonstreert volledig de kwaliteit van de theoretische voorspellingen van de kwantumchemie, die al tientallen jaren verantwoordelijk zijn voor beide verschijnselen. Het laat zien dat ze dat kunnen men kan erop vertrouwen, zelfs als er geen beschikbare experimenten zijn”, zegt Pavel Hobza.
De resultaten van het onderzoek van Tsjechische wetenschappers op subatomair en submoleculair niveau kunnen worden vergeleken met de ontdekking van kosmische zwarte gaten. Ze werden ook tientallen jaren lang getheoretiseerd voordat hun bestaan door experimenten werd bevestigd.
Een betere kennis van de ladingsverdeling van het elektron zal de wetenschappelijke gemeenschap in de eerste plaats helpen veel chemische en biologische processen te begrijpen. Op praktisch niveau zal dit zich vertalen in het vermogen om nieuwe supermoleculen te bouwen en vervolgens geavanceerde nanomaterialen met verbeterde eigenschappen te ontwikkelen.
Referentie: “Visualisatie van een π-gat in moleculen door Kelvin-Probe Force Microscopy” door B. Mallada, M. Ondráček, M. Lamanec, A. Gallardo, A. Jiménez-Martín, B. de la Torre, P. Hobza en B. . Jelinek, 16 augustus 2023, hier beschikbaar. Natuurcommunicatie.
doi: 10.1038/s41467-023-40593-3
‘Webgeek. Wannabe-denker. Lezer. Freelance reisevangelist. Liefhebber van popcultuur. Gecertificeerde muziekwetenschapper.’
