研究人員通過實驗驗證了一個由來已久的理論，即電子密度在芳香族分子中分佈不均。布拉格IOCB、捷克科學院物理研究所和奧洛穆茨帕拉茨基大學的研究人員在揭示分子和原子世界的奧秘方面再次取得了重大進展。他們通過實驗驗證了一個由來已久的理論，即電子密度在芳香分子中的分佈並不均勻。

這一現像極大地影響了分子的物理化學性質及其相互作用。這項研究拓展了設計新型納米材料的可能性，也是剛剛發表在《自然-通訊》（Nature Communications）上的一篇論文的主題。

同一作者團隊在之前發表於《科學》雜誌的突破性研究中描述了電子在原子中的不均勻分佈，即所謂的σ洞。現在，研究人員證實了所謂的π 孔的存在。在芳香烴中，我們可以在碳原子平面的上方和下方發現電子云。如果我們用更具負電性的原子或原子團取代外圍的氫，將電子吸走，那麼原本帶負電的電子云就會變成帶正電的電子洞。

Pavel Hobza 教授，布拉格IOCB 特聘主席兼非共價相互作用小組組長。圖片來源：Tomáš Belloň / 布拉格IOCB

科學家們採用了先進的掃描電子顯微鏡方法，並將其功能進一步推向深入。這種方法以亞原子分辨率工作，因此不僅能對分子中的原子進行成像，還能對原子的電子外殼結構進行成像。研究人員之一、來自奧洛穆茨帕拉茨大學捷克先進技術研究所（CATRIN）的Bruno de la Torre 指出，本實驗的成功主要歸功於其母校的一流設施和優秀博士生的參與。

Bruno de la Torre 說：”得益於我們以前使用開爾文探針力顯微鏡(KPFM) 技術的經驗，我們能夠完善我們的測量並獲得非常完整的數據集，這些數據集不僅幫助我們加深了對電荷如何在分子中分佈的理解，還幫助我們加深了對使用該技術可以獲得哪些觀測數據的理解。”

實驗測量證實了π洞存在的理論預測。從左至右所研究分子的化學結構、計算得出的分子靜電位圖、實驗開爾文探針力顯微鏡（KPFM）圖像以及模擬的KPFM 圖像。資料來源：布拉格IOCB

現代力顯微鏡一直是物理研究所研究人員的研究領域。他們不僅在分子結構方面充分利用了前所未有的空間分辨率。不久前，他們證實了鹵素原子周圍存在電子密度分佈不均勻的現象，即所謂的σ 洞。這一成果於2021 年發表在《科學》雜誌上。捷克科學院布拉格有機化學和生物化學研究所（IOCB Prague）的帕維爾-霍布扎（Pavel Hobza）教授是當今捷克被引用次數最多的科學家之一，他對之前和當前的研究做出了重要貢獻。

“π洞以及之前的σ洞的存在得到證實，充分證明了量子化學理論預測的質量，幾十年來，量子化學理論預測已經解釋了這兩種現象。”帕維爾-霍布扎（Pavel Hobza）說：”這表明，即使在沒有可用實驗的情況下，這些理論預測也是可以信賴的。”

捷克科學家在亞原子和亞分子層面的研究成果可以與宇宙黑洞的發現相提並論。在實驗證實它們的存在之前，人們對它們的理論研究也已有幾十年。

更好地了解電子電荷的分佈將有助於科學界首先了解許多化學和生物過程。在實用層面上，它將轉化為構建新的超分子的能力，並隨後轉化為開發具有更佳性能的先進納米材料的能力。