科學(xué)家之前認(rèn)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(xué)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(yù)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(xué)反應(yīng)，開辟了一條改進(jìn)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(xué)》雜志上。
捷克科學(xué)院物理研究所等多家機(jī)構(gòu)的科學(xué)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(jìn)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(yù)測的西格瑪孔的存在。
“確認(rèn)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(yù)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(xué)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(fù)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(jī)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(jìn)的量子化學(xué)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(jìn)行實驗可視化，并最終確認(rèn)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(yù)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(xué)反應(yīng))非常必要。新的亞原子分辨率成像方法為改進(jìn)物理、生物和化學(xué)系統(tǒng)的多種材料性能打開了大門。(記者張夢然)
關(guān)鍵詞： 西格瑪孔 亞原子結(jié)構(gòu) 分辨率能力 鹵素原子
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