Českí vedci dokázali nemožné. Podarilo sa im totiž pozorovať jav, ktorý bol fyzikmi po prvýkrát teoretizovaný už pred 30 rokmi. Dokázali tak prekonať jednu z najväčších výziev vedy. Na tému upozornil portál EurekAlert.

Česi dokázali nemožné

O prelomový objav publikovaný v žurnále Science sa postarali odborníci z Českého inštitútu výskumu a pokročilých technológií (CATRIN) pri univerzite Palackého, Fyzikálneho ústavu AV ČR (FZÚ), Ústavu organickej chémie a biochémie AV ČR (ÚOCHB) a centra IT4Inovations pri VŠB-Technickej univerzite Ostrava, píše sa v tlačovej správe dostupnej na webe AVCR.

Experti svoj výskum prirovnávajú k prvému pozorovaniu čiernej diery, pričom dosiahnuté výsledky majú pomôcť vedcom po celom svete uľahčiť pochopenie chemických reakcií a interakcií medzi jednotlivými atómami a molekulami.

NEPREHLIADNI:
Vylepšili historicky prvú snímku čiernej diery. Lepšiu si ešte určite nevidel, teraz vrhá von prúd plazmy

Pozorovali náboj halogénu, nikto to nedokázal

Podľa dostupných informácií českí vedci vo svojej štúdii predstavili metódu, pomocou ktorej ako vôbec prví na svete pozorovali nesymetrické rozloženie elektrónového náboja okolo atómu halogénu – tzv. sigma-dieru (σ-diera). Tým prakticky potvrdili existenciu dlho teoretizovaného javu, ktorý nebol nikdy predtým priamo pozorovaný.

„Potvrdenie existencie teoreticky predpovedaných sigma-dier je podobná situácia, ako pozorovanie čiernych dier, ktorých existencia bola predpovedaná všeobecnou teóriou relativity v roku 1915, ale ktoré sa podarilo prvýkrát pozorovať len pred dvomi rokmi. Z tohto pohľadu zobrazenie sigma-diery, keď to trošku preženiem, predstavuje podobný míľnik, avšak na atomárnej úrovni,“ uvádza zainteresovaný odborník Pavel Jelínek z FZÚ a CATRIN.

Od polovice 90. rokov 20. storočia fyzici z celého sveta intenzívne skúmajú podstatu halogénovej väzby. Na existenciu javu známeho ako sigma-diera nepriamo upozorňovali röntgenové štruktúry kryštálov s halogénovou väzbou. Tie ukázali na prekvapivú skutočnosť, že chemicky viazané molekuly halogénu jednej molekuly a atómy dusíka alebo kyslíka druhej molekuly, ktoré by sa za normálnych okolností mali odpudzovať, sú tak natesnané vedľa seba, že sa priťahujú.

Výsledky boli jednoznačne v rozpore s našim predpokladom o tom, že predmetné atómy nesú homogénny záporný náboj a prostredníctvom elektrostatickej sily sa odpudzujú, uvádza sa v tlačovej správe.

Prevratný experiment

Jav špičkoví českí odborníci sledovali pomocou Kelvinovej sondy silovej mikroskopie. Ako už pri výskumoch býva zvykom, najskôr autori vypracovali podrobnú teóriu, v ktorej popísali mechanizmus atomárneho rozlíšenia Kelvinovej sondy, ktorá umožnila optimalizovať experimentálne podmienky.

K prvému experimentálnemu zobrazeniu, respektíve vizualizácii nesymetrického rozloženia elektrónovej hustoty, a teda aj k definitívnemu potvrdeniu správnosti chápania halogénových väzieb, viedla až následná kombinácia experimentálnych meraní a komplikovaných kvantovo-chemických postupov.

Ako píšu autori vo svojej štúdii, anizotropná distribúcia nábojov na jednotlivých atómoch hrá nesmierne dôležitú rolu v intermolekulárnych interakciách, avšak priame pozorovanie zostávalo až dodnes zdanlivo neriešiteľnou výzvou. Zobrazenie tejto sigma-diery by malo vedcom po celom svete umožniť lepšie pochopiť reaktivitu jednotlivých molekúl, ale taktiež by malo viesť k objasneniu usporiadania rôznych molekulárnych štruktúr.

Niečo, čo sa ešte nikomu nepodarilo

Skrátka a jednoducho, výskum bude mať dopad na rôzne vedné odbory ale i fyzikálne, biologické či chemické systémy, ktoré ovplyvňujú každodenný život.

Výskum autorov ohromil natoľko, že spočiatku neverili ani vlastným očiam. „Nemohol som uveriť, že sme prekonali hranicu rozlišovacej schopnosti mikroskopu až na subatomárnu úroveň,“ uvádza Bruno de la Torre z CATRIN a FZÚ.

Samozrejme, po chvíli už vedci boli plní hrdosti a nadšenia z toho, že posunuli vedecké limity do úplne nových rozmerov, a otvorili tak dvere vedcom z celého sveta k objavovaniu nových javov na atomárnej a subatomárnej úrovni.

ScreenShot/SciTech Daily/ YouTube

Treba si uvedomiť, že pozorovanie subatomárnych štruktúr bolo až dodnes úplne mimo rozlišovacie schopnosti priamych zobrazovacích metód, pričom niektorí sa dokonca domnievali, že to tak zrejme zostane navždy.

Rastrovacia mikroskopia, ktorá ľudstvu umožňovala zobrazovať jednotlivé atómy, tak razom naberá úplne nové rozmery a posúva hranice až na subatomárnu úroveň. Výskum má taktiež otvoriť cestu k zdokonaleniu materiálových a štrukturálnych vlastností rôznych chemických, fyzikálnych či biologických systémov.Nikto neveril, že sa to niekedy podarí. Českí vedci práve priamo pozorovali jav menší ako atóm

Ak sa zaujímaš aj o odborné detaily, potom vedz, že citlivosť rastrovacej mikroskopie vedci „zvýšili funkcionalizáciou hrotu sondy atómom xenónu,“ objasňuje Torre. „Vďaka tomu sme dokázali zobraziť nerovnomerné rozloženie elektrónovej hustoty atómu brómu v molekule brómovaného tetrafenyl metánu, teda sigma-dieru v reálnom priestore,“ dodáva.

Charakteristický tvar sigma-diery je tvorený kladne nabitou korunou, ktorá je obklopená pásom zápornej elektrónovej hustoty. Toto nehomogénne rozloženie náboja vedie k vytvoreniu halogénovej väzby, ktorá je nesmierne dôležitá v supramolekulárnej chémii.

Ako na záver uvádza Pavel Hobza z ÚOCHB, ktorý komplikované pokročilé kvantovo-chemické výpočty vykonával na superpočítačoch v centre IT4Inovations: „Experimentálne meranie úplne presne potvrdzuje naše teoretické predpovede o existencii a tvare sigma-diery“.