Vue schématique montrant le principe de l’expérience qui a permis de visualiser le sigma-trou sur un atome de brome (Br) dans une molécule à l’aide d’une pointe spécialement modifiée d’un microscope à balayage fonctionnalisé avec un seul atome de xénon (Xe). En haut : vue schématique de la pointe du microscope à balayage avec un seul atome de xénon (Xe). Au centre : une illustration expérimentale du sigma-trou acquis au microscope à balayage utilisant le principe de la sonde Kelvin. En bas : carte de potentiel électrostatique représentant le sigma-trou (distribution de charge atomique inhomogène sur un atome de brome), qui est formé par une charge positive au-dessus de l’atome (couronne bleue) entourée d’un panache d’électrons négatif (champ rouge). Crédit : FZU/DRAWetc
Jusqu’à présent, l’observation des structures subatomiques dépassait les capacités de résolution des méthodes d’imagerie directe, et cela semblait peu susceptible de changer. Des scientifiques tchèques ont cependant présenté une méthode avec laquelle ils sont devenus les premiers au monde à observer une distribution de charge électronique inhomogène autour d’un halogène. atome, confirmant ainsi l’existence d’un phénomène théoriquement prédit mais jamais directement observé. Comparable à la première observation d’un trou noir, cette percée facilitera la compréhension des interactions entre atomes ou molécules individuels ainsi que des réactions chimiques, et elle ouvre la voie au raffinement des propriétés matérielles et structurelles de divers systèmes physiques, biologiques et chimiques. La percée sera publiée vendredi dans Science.
Dans le cadre d’une vaste collaboration interdisciplinaire, des scientifiques de l’Institut tchèque de technologie et de recherche avancées (CATRIN) de l’Université Palacký d’Olomouc, de l’Institut de physique de l’Académie tchèque des sciences (FZU), de l’Institut de chimie organique et de biochimie de l’Académie tchèque des sciences (IOCB Prague) et le centre de calcul intensif IT4Inovations du VSB – Université technique d’Ostrava ont réussi à augmenter considérablement les capacités de résolution de la microscopie à balayage, qui, il y a plusieurs années, a permis à l’humanité d’imager des atomes individuels, et est ainsi passée du niveau atomique au niveau subatomique. phénomènes. Les scientifiques ont, pour la toute première fois, observé directement une distribution asymétrique de la densité électronique sur des atomes uniques d’éléments halogènes, ce qu’on appelle le sigma-trou. Ce faisant, ils ont définitivement confirmé son existence, théoriquement prédite il y a une trentaine d’années, et ont surmonté l’un des défis de longue date de la science.
Comparaison de la prédiction théorique et des résultats de l’expérience. Crédit : Tomas Bellon / IOCB Prague
« Confirmer l’existence des trous sigma théoriquement prédits n’est pas sans rappeler l’observation de trous noirs, qui n’avaient jamais été vus il y a seulement deux ans, bien qu’ils aient été prédits en 1915 par la théorie de la relativité générale. Vu dans ce sens, il n’est pas vraiment exagéré de dire que l’imagerie du trou sigma représente une étape similaire au niveau atomique », explique Pavel Jelínek de FZU et CATRIN, un expert de premier plan sur l’étude théorique et expérimentale de la propriétés physiques et chimiques des structures moléculaires à la surface des substances solides.
Jusqu’à présent, l’existence du phénomène connu sous le nom de trou sigma avait été indirectement démontrée par des structures cristallines aux rayons X avec une liaison halogène, qui révélaient la réalité surprenante que les atomes d’halogène liés chimiquement d’une molécule et les atomes d’azote ou d’oxygène d’une seconde molécules, qui devraient se repousser, se trouvent à proximité et s’attirent ainsi. Cette observation était en contradiction flagrante avec la prémisse selon laquelle ces atomes portent une charge négative homogène et se repoussent par force électrostatique.
Cela a conduit les scientifiques à examiner la structure subatomique de l’halogène en utilisant la microscopie à force de sonde Kelvin. Ils ont commencé par développer une théorie décrivant le mécanisme de la résolution atomique de la sonde Kelvin, ce qui leur a permis d’optimiser les conditions expérimentales d’imagerie des sigma-holes. La combinaison ultérieure de mesures expérimentales et de méthodes de chimie quantique avancées a permis une percée remarquable – la première visualisation expérimentale d’une distribution de charge de densité électronique inhomogène, c’est-à-dire un trou sigma – et la confirmation définitive du concept de liaisons halogènes.
« Nous avons amélioré la sensibilité de notre microscopie à force de sonde Kelvin en fonctionnalisant la pointe de la sonde avec un seul atome de xénon, ce qui nous a permis de visualiser la distribution de charge inhomogène dans un atome de brome au sein d’une molécule de tétraphénylméthane bromé, c’est-à-dire un trou sigma dans l’espace réel et confirment la prédiction théorique », explique Bruno de la Torre de CATRIN et FZU.
« Quand j’ai vu le trou sigma pour la première fois, j’étais certainement sceptique, car cela impliquait que nous avions dépassé la limite de résolution des microscopes jusqu’au niveau subatomique. Une fois cela accepté, je me suis senti à la fois fier de notre contribution à repousser les limites de l’expérience et heureux d’avoir ouvert la voie à d’autres chercheurs pour aller plus loin et appliquer ces connaissances à la découverte de nouveaux effets au niveau d’un seul atome », ajoute de la Torre.
Selon les scientifiques, la capacité d’imager une distribution de charge de densité électronique inhomogène sur des atomes individuels conduira, entre autres, à une meilleure compréhension de la réactivité des molécules individuelles et de la raison de l’arrangement de diverses structures moléculaires. “Je pense qu’il est sûr de dire que l’imagerie avec une résolution subatomique va avoir un impact sur divers domaines scientifiques, notamment la chimie, la physique et la biologie”, déclare Jelínek.
« J’ai étudié les interactions non covalentes toute ma vie, et cela me donne une grande satisfaction que nous puissions maintenant observer quelque chose qu’auparavant nous ne pouvions « voir » qu’en théorie et que les mesures expérimentales confirment précisément notre prémisse théorique de l’existence et de la forme du trou sigma. Cela nous permettra de mieux comprendre ces interactions et de les interpréter », explique le chimiste informaticien Pavel Hobza de l’IOCB Prague, qui a effectué les calculs avancés de chimie quantique sur les superordinateurs d’IT4Inovations à Ostrava. « Ce que nous constatons, c’est que les liaisons halogènes et les interactions non covalentes en général jouent un rôle dominant non seulement en biologie mais aussi en science des matériaux. Cela rend notre article actuel dans Science d’autant plus important », ajoute Hobza.
La forme caractéristique du trou sigma est formée par une couronne chargée positivement entourée d’une ceinture de densité électronique négative. Cette distribution de charge inhomogène conduit à la formation d’une liaison halogène, qui joue un rôle clé, entre autres, dans la chimie supramoléculaire, y compris l’ingénierie des cristaux moléculaires, et dans les systèmes biologiques.
Une connaissance précise de la distribution des charges électroniques sur les atomes est nécessaire pour comprendre les interactions entre les atomes individuels et les molécules, y compris les réactions chimiques. Ainsi, la nouvelle méthode d’imagerie ouvre la porte au raffinement des propriétés matérielles et structurelles de nombreux systèmes physiques, biologiques et chimiques affectant la vie quotidienne.
Référence : « Imagerie en espace réel de la charge anisotrope du trou au moyen de la microscopie à force de sonde Kelvin » par B. Mallada, A. Gallardo, M. Lamanec, B. de la Torre, V. Špirko, P. Hobza et P Jelinek, le 12 novembre 2021, Science.
DOI : 10.1126/science.abk1479
