Čeští vědci jako první na světě nahlédli dovnitř atomu. Průlomový objev může vést i k novým léčivům
Čeští vědci vymysleli metodu, díky které jako první na světě pozorovali nerovnoměrné rozložení elektronového náboje kolem atomu halogenu. Potvrdili tak jev, který byl teoreticky předpověděn před více než třiceti lety, ale zatím jej ještě nikdo neviděl. O objevu informoval prestižní vědecký časopis Science.
Jde o průlomový objev, který může usnadnit pochopení reakcí mezi atomy a molekulami a může to vést například k novým léčivům. Na existenci jevu zvaného sigma-díra nepřímo ukazovaly rentgenové struktury s halogenovou vazbou, ale viditelný důkaz chyběl.
Spánek potřebují i jednoduché organismy jako třeba medúzy. Vědci nyní hledají společné rysy s lidmi
Číst článek
„Potvrzení existence sigma-děr se dá přirovnat k pozorování černých děr, jejichž existenci předpověděla Einsteinova teorie relativity v roce 1915, ale spatřit se je podařilo teprve před dvěma lety,“ říká Radiožurnálu docent Pavel Jelínek z Fyzikálního ústavu Akademie věd. „Z tohoto pohledu představuje zobrazení sigma-díry s jistou nadsázkou podobný milník na atomární úrovni,“ dodává.
Pozorování dějů uvnitř atomů zatím bylo mimo rozlišovací schopnost i těch nejlepších rastrovacích mikroskopů. Český tým ale přišel s metodou, která to dokázala a experimentálně potvrdila teoretické výpočty.
„To, co teorie před třiceti lety předvídala, my jsme teď uviděli. A když jsme vypočtená a naměřená data dali vedle sebe, tak je to naprosto přesně totéž,“ přibližuje s nadšením v hlase profesor Pavel Hobza z Ústavu organické chemie a biochemie Akademie věd. „Teorie tady předběhla experiment, ale teprve experiment je ten konečný důkaz.“
Každý atom se skládá z jádra a obalu a právě v něm jsou elektrony, které hrají zásadní roli při vzniku sigma-díry. Dochází k ní ve chvíli, kdy se halogeny (brom, chlor anebo jod) spojují kovalentní vazbou s atomy uhlíku.
26:34
XMAN vznikl souhrou štěstí a náhod, popisuje vědec Cígler objev, který by mohl změnit medicínu
Číst článek
Část ze záporně nabitých elektronů se přesune na uhlík, zatímco v halogenových atomech vznikne kladně nabitá díra (tzv. sigma-díra), přičemž zbytek obalu vyplňují elektrony, které jsou tak rozloženy nerovnoměrně.
Vědci se rozhodli prozkoumat tento jev pomocí Kelvinovy sondy silové mikroskopie, ale nejprve museli propočítat a najít způsob, jak zvýšit její citlivost. Zjistili, že ideální je přidat na hrot této sondy atom xenonu, díky kterému můžeme vidět, co se odehrává uvnitř atomu halogenu.
„Když chceme vidět nerovnoměrné rozložení elektronového oblaku a víme, že tam dochází ke změně kladného a záporného náboje, tak nám z výpočtů vyšlo, že nejlepší je posílit Kelvinovu sondu právě xenonem,“ vysvětluje docent Jelínek. „Chemicky se neváže, ale díky své velikosti se velmi dobře polarizuje ve svém vnějším elektrickém poli, a proto byl ideální pro skenování atomu halogenu, v našem případě bromu.“
Atom xenonu fungoval na hrotu speciálního mikroskopu tak trochu jako gramofonová jehla, která se posouvá nad atomem bromu a jasně tak rozliší kladnou sigma díru v záporně nabitém obalu.
4:10
Vědci z Masarykovy univerzity se pokouší zrekonstruovat genom Gregora Johanna Mendela
Číst článek
„Nemohl jsem uvěřit, že jsme překonali hranici rozlišovací schopnosti mikroskopů až na subatomární úroveň,“ svěřoval se Bruno de la Torre Cerdeño z Fyzikálního ústavu. „Pak jsem ale pocítil hrdost, že jsme posunuli limity experimentu, ale také uspokojení nad tím, že se otevřela možnost dalším badatelům jít dál a použít naše poznatky k objevování nových jevů na atomární a subatomární úrovni,“ doplnil.
Charakteristický tvar sigma-díry tvoří kladně nabitá koruna obklopená pásem záporné elektronové hustoty. Toto nehomogenní rozložení náboje vede ke vzniku halogenové vazby, která hraje klíčovou roli mimo jiné v supramolekulární chemii, včetně inženýrství molekulárních krystalů, a v biologických systémech.
„Ukazuje se, že halogenové vazby hrají dominantní roli nejen v biologii, ale i v materiálových vědách. O to je naše současná práce v Science důležitější,“ dodává Hobza.
Unikátní experiment je výsledkem spolupráce vědců z Českého institutu výzkumu a pokročilých technologií při Univerzitě Palackého, Fyzikálního ústavu Akademie věd, Ústavu organické chemie a biochemie Akademie věd a centra IT4Inovations při Vysoké škole báňské – Technické univerzitě Ostrava.
