Wetenschappers bevestigen een decennia-oude theorie over de niet-uniforme verdeling van de elektronendichtheid in aromatische moleculen

Wetenschappers van het Instituut voor Organische Chemie en Biochemie Praag, het Instituut voor Natuurkunde van de Tsjechische Academie van Wetenschappen en Palacký Universiteit Olomouc hebben opnieuw met succes de mysteries van de wereld van moleculen en atomen blootgelegd.

Ze hebben experimenteel de juistheid bevestigd van een tientallen jaren oude theorie die uitging van een niet-uniforme verdeling van de elektronendichtheid in aromatische moleculen. Dit fenomeen heeft een aanzienlijke invloed op de fysisch-chemische eigenschappen van moleculen en hun interacties. Dit onderzoek vergroot de mogelijkheden voor het ontwerpen van nieuwe nanomaterialen en is het thema van een artikel dat is gepubliceerd in Natuurcommunicatie.

Hetzelfde team van auteurs heeft in haar vorige studie gepubliceerd in Wetenschap beschreef de niet-uniforme verdeling van elektronen in een atoom, het zogenaamde σ-gat.

Nu hebben de onderzoekers het bestaan ​​van het zogenaamde π-gat bevestigd. In aromatische koolwaterstoffen vinden we elektronen in wolken boven en onder het vlak van koolstofatomen. Als we de perifere waterstofatomen vervangen door meer elektronegatieve atomen of groepen atomen die elektronen wegtrekken, veranderen de oorspronkelijk negatief geladen wolken in positief geladen elektronengaten.

Wetenschappers hebben de geavanceerde methode van scanning-elektronenmicroscopie overgenomen en de mogelijkheden ervan verder uitgebreid. De methode werkt op subatomaire resolutie en kan daardoor niet alleen atomen in moleculen in beeld brengen, maar ook de structuur van de elektronenschil van een atoom.

Zoals een van de betrokken onderzoekers, Bruno de la Torre van het Tsjechische Instituut voor Geavanceerde Technologie en Onderzoek (CATRIN) van de Palacký Universiteit Olomouc, opmerkt, is het succes van het hier beschreven experiment vooral te danken aan de uitstekende faciliteiten in zijn thuisinstelling en de deelname van uitstekende Ph.D. studenten.

“Dankzij onze eerdere ervaringen met de Kelvin Probe Force Microscopy (KPFM)-techniek hebben we onze metingen kunnen verfijnen en zeer complete datasets kunnen verwerven die ons hebben geholpen ons begrip te verdiepen, niet alleen van hoe de lading in de moleculen wordt verdeeld maar ook van welke waarneembare gegevens worden verkregen met de techniek”, zegt Bruno de la Torre.

Moderne krachtmicroscopie is lange tijd het domein geweest van onderzoekers van het Institute of Physics. Niet alleen bij moleculaire structuren hebben ze de ongekende ruimtelijke resolutie ten volle benut. Enige tijd geleden bevestigden ze het bestaan ​​van een niet-uniforme verdeling van de elektronendichtheid rond halogeenatomen, de zogenaamde σ-gaten.

Deze prestatie werd in 2021 gepubliceerd door Wetenschap. Aan het voormalige en huidige onderzoek werd aanzienlijk bijgedragen door een van de meest geciteerde Tsjechische wetenschappers van vandaag, prof. Pavel Hobza van het Instituut voor Organische Chemie en Biochemie van de Tsjechische Academie van Wetenschappen (IOCB Praag).

“De bevestiging van het bestaan ​​van het π-gat, evenals het σ-gat ervoor, demonstreert ten volle de kwaliteit van de theoretische voorspellingen van de kwantumchemie, die beide fenomenen al tientallen jaren verklaren. Het laat zien dat er op kan worden vertrouwd zelfs als er geen beschikbare experimenten zijn”, zegt Pavel Hobza.

De resultaten van het onderzoek van Tsjechische wetenschappers op subatomair en submoleculair niveau kunnen worden vergeleken met de ontdekking van kosmische zwarte gaten. Ze werden ook al tientallen jaren getheoretiseerd voordat hun bestaan ​​door experimenten werd bevestigd.

Een betere kennis van de verdeling van de elektronenlading zal de wetenschappelijke gemeenschap in de eerste plaats helpen veel chemische en biologische processen te begrijpen. Op praktisch niveau zal dit zich vertalen in het vermogen om nieuwe supramoleculen te bouwen en vervolgens in de ontwikkeling van geavanceerde nanomaterialen met verbeterde eigenschappen.