突破亚原子成像技术的极限：第一次直接观察到原子上的“黑洞”

直接观察亚原子的结构超出了现有成像方法的能力。然而，捷克科学家开发出一种方法，使他们成为世界上第一个观察到卤素原子周围不均匀电子电荷分布的方法，从而证实了理论上预测但从未直接观察到的现象的存在——原子上的“黑洞”。这一突破有助于我们进一步理解单个原子或分子之间的相互作用以及化学反应，并开辟了一条改进各种物理、生物和化学的材料和结构特性的途径。他们的论文的上个月发表在Science上。

在广泛的跨学科合作中，来自奥洛穆茨帕拉茨基大学捷克先进技术研究所 (CATRIN)、捷克科学院物理研究所 (FZU)、捷克科学院有机化学和生物化学研究所的科学家们(IOCB 布拉格)和 VSB 的 IT4Innovations 超级计算中心——俄斯特拉发技术大学已经成功地显著提高了扫描显微镜的分辨率能力。几年前，它使人类能够对单个原子进行成像，从而超越原子水平到亚原子水平。现在，科学家们第一次直接观察到卤素元素单个原子上的不对称电子密度分布，即所谓的 sigma-hole。换句话说，他们明确地证实了它的存在。

Sigma-hole，大约 30 年前人们就给出了理论上的预言，证实它的存在性是科学界长期存在的挑战之一。

“确认sigma-holes 的存在与观察黑洞没有什么不同，尽管广义相对论在 1915 年预测了黑洞，但直到两年前才被证实。” FZU 和 CATRIN 的 Pavel Jelínek 解释道，他是固体物质表面分子结构物理和化学性质的理论和实验研究的领先专家。

到目前为止，被称为 sigma-hole 的现象的存在已经通过具有卤素键的 X 射线晶体结构间接证明，这揭示了一个令人惊讶的现实，即一个分子里卤素原子与第二个分子里氮或氧原子经化学键合，它们本应相互排斥，但现在却靠得很近。这一观察结果与原子携带同质负电荷并通过静电力相互排斥的结论明显矛盾。

这促使科学家们使用开尔文探针力显微镜检查卤素的亚原子结构。他们首先开发了一种刻画开尔文探针原子分辨率机制的理论，这使他们能够优化成像 sigma-holes的实验条件。随后将实验测量和先进的量子化学方法相结合，取得了突破——首次对非均匀电子密度电荷分布(即sigma-holes)进行实验可视化——并最终确认了卤素键的概念。

“我们用单个氙原子对尖端探针进行功能化，提高了开尔文探针力显微镜的灵敏度，这使我们能够观察溴化四苯甲烷分子内溴原子的不均匀电荷分布，并证实了理论预测。”CATRIN 和 FZU 的 Bruno de la Torre 说。

“当我第一次看到 sigma-hole 时，我当然持怀疑态度，因为这意味着我们已经克服了显微镜下到亚原子水平的分辨率限制。当我消化了这一点，我为我们的贡献感到自豪，推动实验科学突破既往极限，并很高兴为其他研究人员开辟了一条道路，让他们走得更远，并将这些知识应用于发现单原子水平的新效应。”de la Torre 补充道。

Sigma-hole 的特征形状是由带正电的冠部形成的，周围是负电子密度的带。这种不均匀的电荷分布导致形成卤素键，这在包括分子晶体工程在内的超分子化学和生物系统中起着关键作用。

精确了解原子上的电子电荷分布对于理解单个原子和分子之间的相互作用(包括化学反应)是必要的。因此，新的成像方法为改善影响日常生活的许多物理、生物和化学系统的材料和结构特性打开了大门。

https://phys.org/news/2021-11-inhomogeneous-electron-atom.html