捷克科学院有机化学和生物化学研究所(IOCB布拉格)
示意图显示了该实验的原理，该实验使得使用用单个氙(Xe)原子功能化的扫描显微镜的特别改进的尖端来可视化分子中溴(Br)原子上的σ-孔成为可能
顶部:单氙(Xe)原子扫描显微镜尖端示意图
中心:利用开尔文探针原理通过扫描显微镜获得的西格玛孔的实验图
底部:静电势图，描绘了sigma-空穴(溴原子上不均匀的原子电荷分布)，它是由原子顶部的正电荷(蓝冠)被负电子羽流(红色场)包围而形成的
信用:FZU/提款等 直到现在，观察亚原子结构已经超出了直接成像方法的分辨能力，这似乎不太可能改变
然而，捷克科学家提出了一种方法，他们用这种方法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人，从而证实了一种现象的存在，这种现象曾在理论上被预测过，但从未被直接观察到
与首次对黑洞的观察相比，这一突破将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，并为完善各种物理、生物和化学系统的材料和结构特性开辟了一条道路
这一突破将于周五发表在《科学》杂志上
在广泛的跨学科合作中，来自帕拉克大学奥洛穆克捷克先进技术和研究所(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(IOCB·布拉格)和俄斯特拉发技术大学VSB it4innovations超级计算中心的科学家成功地大幅提高了扫描显微镜的分辨率，几年前，扫描显微镜使人类能够对单个原子成像，从而超越了原子水平，进入亚原子现象
科学家们首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σ-空穴
在这样做的过程中，他们明确地证实了它的存在，从理论上预测了大约30年前的情况，并克服了科学的一个长期挑战
“证实理论上预测的希格玛黑洞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，但直到两年前才被发现
从这个意义上来看，毫不夸张地说，西格玛洞的成像代表了原子水平上的一个类似里程碑，”FZU的帕维尔·杰利内克和固体物质表面分子结构的物理和化学性质的理论和实验研究的领先专家CATRIN解释道
直到现在，被称为σ-空穴的现象的存在已经被具有卤素键的X射线晶体结构间接证明，这揭示了一个令人惊讶的事实，即一个分子的化学键合的卤素原子和第二个分子的氮或氧原子应该相互排斥，它们在附近，因此相互吸引
这一观察与这些原子携带同质负电荷并通过静电力相互排斥的前提明显矛盾
理论预测与实验结果的比较
信用:托马斯·贝隆/IOCB·布拉格 这导致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
他们首先发展了一种理论，描述了开尔文探针的原子分辨率机制，这使得他们能够优化成像σ-空穴的实验条件
随后的实验测量和先进的量子化学方法的结合导致了一个显著的突破——第一个非均匀电子密度电荷分布的实验可视化，即
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西格玛孔——以及卤素键概念的明确确认
CATRIN和FZU的Bruno德·拉·托雷说:“我们通过用单个氙原子功能化尖端探针，提高了开尔文探针力显微镜的灵敏度，这使我们能够可视化溴化四苯甲烷分子内溴原子的不均匀电荷分布，即真实空间中的σ-孔，并证实了理论预测。”
“当我第一次看到西格玛孔时，我肯定是持怀疑态度的，因为这意味着我们已经突破了显微镜分辨率的限制，达到了亚原子水平
一旦我接受了这一点，我既为我们在推动实验极限方面的贡献感到自豪，也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，”德·拉·托雷补充道
根据科学家的说法，对单个原子上不均匀的电子密度电荷分布进行成像的能力，除其他外，将导致对单个分子的反应性以及各种分子结构排列的原因的更好理解
杰利内克说:“我认为可以肯定地说，亚原子分辨率成像将对包括化学、物理和生物学在内的各个科学领域产生影响。”
这一实验的原理是利用一种特殊改进的扫描显微镜的尖端，通过单个氙原子的功能化，可以观察分子中溴原子上的σ孔
信用:FZU/提款等 “我一生都在研究非共价相互作用，这让我非常满意，我们现在可以观察到以前只能在理论上“看到”的东西，并且实验测量精确地证实了我们关于σ孔存在和形状的理论前提
它将使我们更好地理解这些相互作用并解释它们，”IOCB布拉格的计算化学家帕维尔·霍布扎说，他在俄斯特拉发IT4Inovations的超级计算机上进行了先进的量子化学计算
“我们看到的是，卤素键和非共价相互作用不仅在生物学领域，而且在材料科学领域都发挥着主导作用
这使得我们目前在《科学》上发表的论文变得更加重要，”霍布扎补充道
西格玛孔的特征形状是由一个带正电的冠形成的，该冠被一个负电子密度带所包围
这种不均匀的电荷分布导致卤素键的形成，卤素键在超分子化学(包括分子晶体工程)和生物系统中起着关键作用
要理解单个原子和分子之间的相互作用，包括化学反应，精确了解原子上的电子电荷分布是必要的
因此，新的成像方法为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的改进打开了大门
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