研究人员通过实验验证了一个由来已久的理论，即电子密度在芳香族分子中分布不均。布拉格 IOCB、捷克科学院物理研究所和奥洛穆茨帕拉茨基大学的研究人员在揭示分子和原子世界的奥秘方面再次取得了重大进展。他们通过实验验证了一个由来已久的理论，即电子密度在芳香分子中的分布并不均匀。
这一现象极大地影响了分子的物理化学性质及其相互作用。这项研究拓展了设计新型纳米材料的可能性，也是刚刚发表在《自然-通讯》（Nature Communications）上的一篇论文的主题。
同一作者团队在之前发表于《科学》杂志的突破性研究中描述了电子在原子中的不均匀分布，即所谓的σ洞。现在，研究人员证实了所谓的 π 孔的存在。在芳香烃中，我们可以在碳原子平面的上方和下方发现电子云。如果我们用更具负电性的原子或原子团取代外围的氢，将电子吸走，那么原本带负电的电子云就会变成带正电的电子洞。
Pavel Hobza 教授，布拉格 IOCB 特聘主席兼非共价相互作用小组组长。图片来源：Tomáš Belloň / 布拉格 IOCB
科学家们采用了先进的扫描电子显微镜方法，并将其功能进一步推向深入。这种方法以亚原子分辨率工作，因此不仅能对分子中的原子进行成像，还能对原子的电子外壳结构进行成像。研究人员之一、来自奥洛穆茨帕拉茨大学捷克先进技术研究所（CATRIN）的 Bruno de la Torre 指出，本实验的成功主要归功于其母校的一流设施和优秀博士生的参与。
Bruno de la Torre 说："得益于我们以前使用开尔文探针力显微镜 (KPFM) 技术的经验，我们能够完善我们的测量并获得非常完整的数据集，这些数据集不仅帮助我们加深了对电荷如何在分子中分布的理解，还帮助我们加深了对使用该技术可以获得哪些观测数据的理解。"
实验测量证实了π洞存在的理论预测。从左至右 所研究分子的化学结构、计算得出的分子静电位图、实验开尔文探针力显微镜（KPFM）图像以及模拟的 KPFM 图像。资料来源：布拉格 IOCB
现代力显微镜一直是物理研究所研究人员的研究领域。他们不仅在分子结构方面充分利用了前所未有的空间分辨率。不久前，他们证实了卤素原子周围存在电子密度分布不均匀的现象，即所谓的 σ 洞。这一成果于 2021 年发表在《科学》杂志上。捷克科学院布拉格有机化学和生物化学研究所（IOCB Prague）的帕维尔-霍布扎（Pavel Hobza）教授是当今捷克被引用次数最多的科学家之一，他对之前和当前的研究做出了重要贡献。
"π洞以及之前的σ洞的存在得到证实，充分证明了量子化学理论预测的质量，几十年来，量子化学理论预测已经解释了这两种现象。"帕维尔-霍布扎（Pavel Hobza）说："这表明，即使在没有可用实验的情况下，这些理论预测也是可以信赖的。"
捷克科学家在亚原子和亚分子层面的研究成果可以与宇宙黑洞的发现相提并论。在实验证实它们的存在之前，人们对它们的理论研究也已有几十年。
更好地了解电子电荷的分布将有助于科学界首先了解许多化学和生物过程。在实用层面上，它将转化为构建新的超分子的能力，并随后转化为开发具有更佳性能的先进纳米材料的能力。