Mengungkap dunia molekul yang misterius – para ilmuwan mengonfirmasi teori yang telah berusia puluhan tahun

Para peneliti secara eksperimental telah memverifikasi teori lama bahwa kerapatan elektron tidak terdistribusi secara merata dalam molekul aromatik.

Para peneliti dari IOCB Praha, Institut Fisika dari Akademi Ilmu Pengetahuan Ceko, dan Universitas Palatski Olomouc sekali lagi mencapai kemajuan besar dalam mengungkap misteri dunia molekul dan atom. Mereka secara eksperimental memverifikasi teori lama bahwa kerapatan elektron tidak terdistribusi secara merata dalam molekul aromatik.

Fenomena ini sangat mempengaruhi sifat fisik dan kimia molekul serta interaksinya. Penelitian ini memperluas kemungkinan untuk merancang bahan nano baru dan merupakan subjek dari makalah yang baru saja diterbitkan Komunikasi Alam.

Tim penulis yang sama dalam studi percontohan sebelumnya yang diterbitkan di Sains Jelaskan distribusi elektron yang tidak teratur pada Jagung, yang disebut lubang σ. Kini para peneliti telah mengkonfirmasi keberadaan lubang π. Dalam hidrokarbon aromatik, elektron ditemukan di awan di atas dan di bawah bidang atom karbon. Jika kita mengganti atom hidrogen di sekitarnya dengan atom yang lebih elektronegatif atau kelompok atom yang menarik elektron, awan yang awalnya bermuatan negatif berubah menjadi lubang elektron yang bermuatan positif.

Profesor Pavel Hobza, Ketua Terhormat dan Ketua Kelompok Interaksi Non-Kovalen di IOCB Praha. Kredit: Thomas Bellon/IOCB Praha

Para ilmuwan telah menggunakan metode pemindaian mikroskop elektron yang canggih dan meningkatkan kemampuannya lebih jauh lagi. Metode ini bekerja pada resolusi subatom, sehingga tidak hanya dapat menggambarkan atom dalam molekul, tetapi juga struktur kulit elektron atom. Seperti yang ditunjukkan oleh salah satu peneliti, Bruno de la Torre dari Institut Teknologi dan Penelitian Maju Ceko (CATRIN) di Universitas Palatske Olomouc, keberhasilan eksperimen yang dijelaskan di sini terutama disebabkan oleh fasilitas yang sangat baik di institusi asalnya. dan gelar Ph.D. siswa.

“Berkat pengalaman kami sebelumnya dengan teknologi Kelvin probe force microscopy (KPFM), kami dapat meningkatkan pengukuran kami dan memperoleh kumpulan data yang sangat lengkap yang membantu kami memperdalam pemahaman kami tidak hanya tentang bagaimana muatan didistribusikan dalam molekul. menggunakan teknik ini.

Pengukuran eksperimental mengkonfirmasi prediksi teoretis tentang keberadaan lubang π. Dari kiri ke kanan: struktur kimia molekul yang diselidiki, peta potensial elektrostatik molekul yang dihitung, mikrograf gaya probe Kelvin eksperimental (KPFM), dan gambar simulasi KPFM. Kredit: IOCB Praha

Mikroskop gaya modern telah lama menjadi domain para peneliti di Institut Fisika. Tidak hanya dalam kasus struktur molekul, mereka menggunakan resolusi spasial yang belum pernah terjadi sebelumnya secara maksimal. Beberapa waktu lalu mereka mengkonfirmasi adanya distribusi kerapatan elektron yang tidak seragam di sekitar atom halogen, yang disebut lubang σ. Prestasi ini diterbitkan pada tahun 2021 oleh Sains. Penelitian sebelumnya dan saat ini disumbangkan secara besar oleh salah satu ilmuwan Ceko yang paling banyak dikutip saat ini, Profesor Pavel Hobza dari Institut Kimia Organik dan Biokimia Akademi Ilmu Pengetahuan Ceko (IOCB Prague).

“Konfirmasi keberadaan lubang π, serta lubang σ yang mendahuluinya, sepenuhnya menunjukkan kualitas prediksi teoritis kimia kuantum, yang telah bertanggung jawab atas kedua fenomena tersebut selama beberapa dekade. diandalkan bahkan tanpa adanya eksperimen yang tersedia,” kata Pavel Hobza. .

Hasil penelitian ilmuwan Ceko pada tingkat subatom dan submolekul dapat disamakan dengan penemuan lubang hitam kosmik. Mereka juga berteori selama beberapa dekade sebelum keberadaannya dikonfirmasi melalui eksperimen.

Pengetahuan yang lebih baik tentang distribusi muatan elektron akan membantu komunitas ilmiah memahami banyak proses kimia dan terutama proses biologis. Pada tingkat praktis, hal ini akan diterjemahkan ke dalam kemampuan untuk membangun supermolekul baru dan kemudian mengembangkan bahan nano canggih dengan sifat yang lebih baik.

Referensi: “Visualisasi lubang π dalam molekul dengan mikroskop gaya probe Kelvin” oleh B. Mallada, M. Ondráček, M. Lamanec, A. Gallardo, A. Jiménez-Martín, B. de la Torre, P. Hobza dan B . . Jelinek, 16 Agustus 2023, Komunikasi Alam.
doi: 10.1038/s41467-023-40593-3