Foto: avcr.cz
Prelomový výskum, ktorý je pripodobňovaný k prvému priamemu pozorovaniu čiernej diery, sa dočkal publikácie v časopise Science.
Svet atómov je veľmi špecifický a pre laikov aj tajomný. Priestor, ktorý obývajú tieto stavebné bloky hmoty sa vždy nachádzal mimo nášho zorného poľa. Čo ale uniká bežnému pohľadu, rozhodne neuniklo zobrazovacím schopnostiam rastrovacej mikroskopie. Tá už umožnila zobraziť atómy, teraz však mohli českí bádatelia vďaka jej zdokonaleniu pozorovať aj rozloženie hustoty elektrónového oblaku na atóme.
Okrem už aj tak prelomového posunu v rozlíšení zobrazovacích techník si navyše potvrdili domnienku starú tridsať rokov. Verifikovali totiž existenciu nerovností v elektrónovom náboji halogénov, takzvané sigma-diery.
Mikroskop rastrujúci jediným atómom
V základe súčasného úspechu stojí Kelvinova sonda silovej mikroskopie. Jednu z najcitlivejších zobrazovacích metód rastrovacej mikroskopie sa podarilo ešte viac precizovať vďaka širokej spolupráci vedeckých tímov z Fyzikálneho ústavu AV ČR, Ústavu organickej chémie a biochémie AV ČR, Českého inštitútu výskumu a pokročilých technológií (CATRIN) a v neposlednom rade vedcov z centra IT4 škole banskej – Technickej univerzity Ostrava.
Čítajte aj V andskom jazere Titicaca aj kvôli zmenám klímy ubúdajú ryby aj voda
Súčasťou vylepšenej metódy Kelvinovej sondy silovej mikroskopie je hrot zakončený presne jedným atómom xenónu. Ten má sférický náboj a umožnil tak fyzikom presnejšie meranie. Pri snímaní sa hrot pohybuje v tesnej blízkosti povrchu skúmaného materiálu, v prostredí vákua pri teplote takmer absolútnej nuly. Ide o metódu bezkontaktnú, materiálu sa priamo nikdy nedotýka. Zariadenie ale zaznamenáva interakčnú silu medzi atómom na hrote a na povrchu materiálu a generované dáta potom počítače analyzujú a pretvárajú na model. Ten potom poskytuje vedcom informácie o atomárnom, poprípade molekulárnom rozlíšení, zložení a stave povrchu skúmanej látky.
Limitným rozlíšením rastrovacej mikroskopie, teda najmenšími štruktúrami, ktoré mohli vedci týmto spôsobom pozorovať, boli jednotlivé atómy. Teraz sa však podarilo jej citlivosť posunúť ešte o krok ďalej, za úroveň atomárneho rozlíšenia. „Doteraz neexistovala technika, ktorá by mala dostatočné priestorové rozlíšenie a umožnila by zobraziť nehomogénne rozloženie elektrónovej hustoty na atóme. Rastrovacia mikroskopia umožňuje zobrazenie jednotlivých atómov, ale nebola schopná dosiahnuť subatomárne rozlíšenie,“ upozorňuje Pavel Jelínek z Fyzikálneho ústavu AV ČR.
Čítajte aj Michal Fečkan je opäť medzi jedným percentom najcitovanejších matematikov sveta
Výskumníci preto vypracovali vlastnú teóriu, ktorá popisuje mechanizmus správania a interakcie medzi xenonovým hrotom a snímaným povrchom atómu brómu. Dovolila im optimalizovať experimentálne podmienky a nastaviť ich pre meranie špecifického javu. A toto charakteristické nastavenie, a teda spresnenie rozlišovacích schopností im umožňuje vytvoriť vizualizáciu fenoménu na skôr nedosažiteľnej subatomárnej úrovni.
Halogény nosia na hlavách koruny
Javom, na ktorý sa počas svojho ďalšieho výskumu zamerali a ktorému prispôsobili svoje prístroje, bolo nesymetrické rozloženie atomárneho náboja na halogénových prvkoch. To je vo vedeckej komunite známe ako sigma-diera a doteraz existovala iba na papieri. Teória, ktorá bola vyslovená pred tridsiatimi rokmi, vysvetľovala určité prapodivné správanie elektrónového náboja v atómoch halogénov.
Ako halogény označujeme prvky zo 17. skupiny periodickej tabuľky – fluór, chlór, bróm, jód a astát. Ide o prvky značne reaktívne, a tak sa prirodzene vyskytujú viazané v zlúčeninách. Sú súčasťou mnohých moderných materiálov, napríklad plastov. Nájdeme ich ale aj v potravinách a liekoch. Využívajú sa vo výrobe elektronických komponentov. Svoju dôležitú úlohu zohrávajú aj v našej vlastnej biológii, sú súčasťou niektorých hormónov.
Čítajte aj Návrat ľudí na Mesiac sa neuskutoční skôr ako v roku 2026, ukázal audit
Skúmaný bróm patrí k halogénom a podľa princípov fungovania chemických väzieb by sa mali jeho atómy viazané v molekule odpudzovať od atómov dusíka alebo kyslíka. Lenže už na začiatku 20. storočia vedci pozorovali molekulárne kryštály, ktorých štruktúra zahŕňala záporne nabité atómy halogénu a kyslíka. Ukázalo sa, že sa nachádzajú v tesnej blízkosti a nemohlo byť pochýb o tom, že sa priťahujú. Vysvetlenie tohto podivného správania sme sa dočkali v roku 2007. Výpočty preukázali, že elektrónová hustota halogénov nie je vo všetkých miestach homogénna a vyskytujú sa v nej nerovnosti, teda spomínané sigma-diery.
Tie svojim tvarom pripomínajú korunu, v ktorej inak záporný elektrónový náboj prechádza na vrcholkoch atómov v náboj kladný a dovoľuje tak záporne nabitým časticiam iných atómov sa viac priblížiť a vytvoriť pevnú molekulárnu štruktúru. Pozorovaním sigma-dier tak českí vedci definitívne potvrdili dlho teoretizovaný koncept väzieb halogénových prvkov.
Čítajte aj Pred 120 rokmi získali USA právo na výstavbu Panamského prieplavu
Pre potvrdenie existencie sigma-dier nachádza Pavel Jelínek paralelu vo fyzike makrosveta. Ide o verifikáciu teórie v podobnom zmysle, ako keď fyzici pred dvoma rokmi prvýkrát priamo pozorovali čierne diery, ktoré predpovedala všeobecná teória relativity už v roku 1915. „Z tohto pohľadu zobrazenie sigma-diery s istým zveličením predstavuje podobný míľnik na atomárnej úrovni,“ vysvetľuje.
„Tento pokrok umožní študovať správanie molekúl a atómov s väčšou presnosťou. Navyše táto technika v princípe umožňuje aj meranie lokálnej polarizability elektrónovej hustoty, jej odozvy na vonkajšie elektrické pole. Pravé meranie lokálnej polarizability elektrónovej hustoty na jednotlivých atómoch je ďalšou výzvou, na ktorú sa chceme zamerať,“ hodnotí ďalší prínos pre svoj odbor Pavel jelínek.
Zdroj: Jan Hanáček, Divízia vonkajších vzťahov SSČ AV ČR