科學(xué)家提出新方法 30年前理論預(yù)測的西格瑪孔首獲證實(shí)

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(shí)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(shí)了一種理論上已預(yù)測但從未直接觀察到的現(xiàn)象。與對(duì)黑洞的首次觀測相比，這一突破有助于理解單個(gè)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、捷克科學(xué)院有機(jī)化學(xué)和生物化學(xué)研究所、奧拉克大學(xué)奧洛穆茨分校捷克先進(jìn)技術(shù)與研究所以及俄斯特拉發(fā)技術(shù)大學(xué)IT4創(chuàng)新超算中心的科學(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(gè)原子上的不對(duì)稱電子密度分布(即所謂的西格瑪孔)，從而證實(shí)了30年前理論預(yù)測的西格瑪孔的存在。

理論預(yù)測與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較。

圖片來源：捷克科學(xué)院有機(jī)化學(xué)和生物化學(xué)研究所

“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(duì)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(shí)驗(yàn)研究專家帕威爾·杰里涅克解釋說，從這個(gè)意義上說，西格瑪孔的成像代表了原子水平上一個(gè)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(gè)令人驚訝的現(xiàn)實(shí)，即一個(gè)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(shí)驗(yàn)條件。隨后將實(shí)驗(yàn)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(duì)非均勻電子密度電荷分布(西格瑪孔)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)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(gè)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(shí)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。

研究示意圖。

圖片來源：捷克科學(xué)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(duì)于理解單個(gè)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。

總編輯圈點(diǎn)：

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(rèn)為，觀察亞原子結(jié)構(gòu)難度太高，超出直接成像的技術(shù)能力。經(jīng)過物理、化學(xué)、生物和計(jì)算機(jī)專家的跨學(xué)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(jí)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(yù)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(guān)的材料性能提供了新的可能。