科学家提出新方法 30年前理论预测的西格玛孔首获证实

科学家之前认为，观察亚原子结构超出了目前直接成像方法的分辨率能力，几乎不太可能实现。然而，捷克科学家提出了一种新方法，首次观察到卤素原子周围不均匀电子电荷分布，从而证实了一种理论上已预测但从未直接观察到的现象。与对黑洞的首次观测相比，这一突破有助于理解单个原子或分子之间的相互作用以及化学反应，开辟了一条改进各种材料及其结构特性的新途径。该成果发表在12日的《科学》杂志上。

捷克科学院物理研究所、捷克科学院有机化学和生物化学研究所、奥拉克大学奥洛穆茨分校捷克先进技术与研究所以及俄斯特拉发技术大学IT4创新超算中心的科学家们此次通力合作，显著提高了单原子成像扫描显微镜的分辨率，超越原子水平进入亚原子层面。他们首次直接观测到卤族元素的单个原子上的不对称电子密度分布(即所谓的西格玛孔)，从而证实了30年前理论预测的西格玛孔的存在。

理论预测与实验结果的比较。

图片来源：捷克科学院有机化学和生物化学研究所

“确认西格玛孔的存在与观察黑洞没什么不同，尽管广义相对论在1915年预测了黑洞，但直到两年前才被发现。理论和实验研究专家帕威尔·杰里涅克解释说，从这个意义上说，西格玛孔的成像代表了原子水平上一个类似发现黑洞的里程碑。

西格玛孔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，其揭示了一个令人惊讶的现实，即一个卤素原子与本该相互排斥的氮或氧原子化学键合，竟然靠得很近从而相互吸引。这一观察结果与这些原子携带同质负电荷并通过静电力相互排斥的理论明显矛盾。

这促使研究人员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描述开尔文探针原子分辨率机制的理论，从而优化了成像西格玛孔的实验条件。随后将实验测量和先进的量子化学方法相结合，取得了显著突破——首次对非均匀电子密度电荷分布(西格玛孔)进行实验可视化，并最终确认了卤素键的概念。

研究人员表示，他们通过用单个氙原子将尖端探针功能化，提高了开尔文探针力显微镜的灵敏度，这使其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。这也意味着突破了显微镜下亚原子水平的分辨率限制。

研究示意图。

图片来源：捷克科学院物理研究所

研究人员称，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)非常必要。新的亚原子分辨率成像方法为改进物理、生物和化学系统的多种材料性能打开了大门。

总编辑圈点：

亚原子，泛指比原子更小的粒子，比如电子、质子、中子等。科研人员此前认为，观察亚原子结构难度太高，超出直接成像的技术能力。经过物理、化学、生物和计算机专家的跨学科合作，将单原子成像扫描显微镜的分辨能力提升到了亚原子级别，让他们直接观测到了西格玛孔的存在。在此之前，西格玛孔只是理论预测，有间接观测佐证，但无直接观测证明。研究人员指出，这种新的成像方法为改善和人日常生活有关的材料性能提供了新的可能。

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