科學家提出新方法 30年前理論預測的西格瑪孔首獲證實

科學家之前認為，觀察亞原子結(jié)構(gòu)超出了目前直接成像方法的分辨率能力，幾乎不太可能實現(xiàn)。然而，捷克科學家提出了一種新方法，首次觀察到鹵素原子周圍不均勻電子電荷分布，從而證實了一種理論上已預測但從未直接觀察到的現(xiàn)象。與對黑洞的首次觀測相比，這一突破有助于理解單個原子或分子之間的相互作用以及化學反應，開辟了一條改進各種材料及其結(jié)構(gòu)特性的新途徑。該成果發(fā)表在12日的《科學》雜志上。

捷克科學院物理研究所、捷克科學院有機化學和生物化學研究所、奧拉克大學奧洛穆茨分校捷克先進技術與研究所以及俄斯特拉發(fā)技術大學IT4創(chuàng)新超算中心的科學家們此次通力合作，顯著提高了單原子成像掃描顯微鏡的分辨率，超越原子水平進入亞原子層面。他們首次直接觀測到鹵族元素的單個原子上的不對稱電子密度分布(即所謂的西格瑪孔)，從而證實了30年前理論預測的西格瑪孔的存在。

理論預測與實驗結(jié)果的比較。

圖片來源：捷克科學院有機化學和生物化學研究所

“確認西格瑪孔的存在與觀察黑洞沒什么不同，盡管廣義相對論在1915年預測了黑洞，但直到兩年前才被發(fā)現(xiàn)。理論和實驗研究專家帕威爾·杰里涅克解釋說，從這個意義上說，西格瑪孔的成像代表了原子水平上一個類似發(fā)現(xiàn)黑洞的里程碑。

西格瑪孔現(xiàn)象的存在已經(jīng)通過具有鹵素鍵的X射線晶體結(jié)構(gòu)間接證明，其揭示了一個令人驚訝的現(xiàn)實，即一個鹵素原子與本該相互排斥的氮或氧原子化學鍵合，竟然靠得很近從而相互吸引。這一觀察結(jié)果與這些原子攜帶同質(zhì)負電荷并通過靜電力相互排斥的理論明顯矛盾。

這促使研究人員使用開爾文探針力顯微鏡檢查鹵素的亞原子結(jié)構(gòu)。他們首先開發(fā)了一種描述開爾文探針原子分辨率機制的理論，從而優(yōu)化了成像西格瑪孔的實驗條件。隨后將實驗測量和先進的量子化學方法相結(jié)合，取得了顯著突破——首次對非均勻電子密度電荷分布(西格瑪孔)進行實驗可視化，并最終確認了鹵素鍵的概念。

研究人員表示，他們通過用單個氙原子將尖端探針功能化，提高了開爾文探針力顯微鏡的靈敏度，這使其能夠觀察溴化四苯甲烷分子內(nèi)溴原子的不均勻電荷分布，并證實了理論預測。這也意味著突破了顯微鏡下亞原子水平的分辨率限制。

研究示意圖。

圖片來源：捷克科學院物理研究所

研究人員稱，精確了解原子上的電子電荷分布，對于理解單個原子和分子之間的相互作用(包括化學反應)非常必要。新的亞原子分辨率成像方法為改進物理、生物和化學系統(tǒng)的多種材料性能打開了大門。

總編輯圈點：

亞原子，泛指比原子更小的粒子，比如電子、質(zhì)子、中子等。科研人員此前認為，觀察亞原子結(jié)構(gòu)難度太高，超出直接成像的技術能力。經(jīng)過物理、化學、生物和計算機專家的跨學科合作，將單原子成像掃描顯微鏡的分辨能力提升到了亞原子級別，讓他們直接觀測到了西格瑪孔的存在。在此之前，西格瑪孔只是理論預測，有間接觀測佐證，但無直接觀測證明。研究人員指出，這種新的成像方法為改善和人日常生活有關的材料性能提供了新的可能。