原子上电荷的各向异性分布在分子间相互作用中起着至关重要的作用，会强烈影响系统的材料和结构特性。然而，原子上这种各向异性电荷分布的直接实验成像仍然是一个长期存在的挑战。
一个典型的例子就是σ-hole，它是与碳原子共价连接的卤素原子上的各向异性电荷分布，是卤素键和机制的关键。但是，目前卤素原子上σ-hole的存在仅通过确定含卤素的有机分子的晶体结构或理论计算来间接证明，因此迫切需要对其直接实验可视化。
近日，来自捷克的科学家们开发了一种具有特殊功能化尖端的开尔文探针力显微镜技术，并首次实现了对σ-hole的各向异性电荷的直接真实空间可视化。这是世界上首次观察到卤素原子周围不均匀的电子电荷分布（即σ-hole），从而证实了理论上预测但从未直接观察到的现象的存在。这一突破将有助于理解单个原子或分子之间的相互作用以及化学反应，并为改进系统的各种物理、生物和化学的材料和结构特性开辟了新的道路。
图1. 实验原理示意图。该实验可以使用单个氙 (Xe) 原子功能化的扫描显微镜的特殊改进尖端来可视化分子中溴 (Br) 原子上的 σ-hole。顶部：具有单个氙 (Xe) 原子的扫描显微镜尖端示意图。中：使用开尔文探针原理通过扫描显微镜获得的σ-hole的实验图解。底部：静电势图描绘了 σ-hole（溴原子上的不均匀原子电荷分布），它由原子顶部的正电荷（蓝色冠）被负电子羽流（红色场）包围。图片来源：FZU/DRAWetc
相关的研究成果以“Real-space imaging of anisotropic charge of σ-hole by means of Kelvin probe force microscopy”为题，于2021年11月12日发表在国际顶级期刊《Science》上。
Part 1: 什么是σ-hole？它有什么重要意义？
20世纪下半叶，科学家们在晶体中都观察到具有两个相邻卤素或一对卤素原子和电子供体（氧、氮、硫等）的不寻常原子排列的分子结构。理论上，卤素和电子供体通常都是带负电荷的电负性元素，因此这些原子的紧密接触会引起高度排斥的静电相互作用。然而，与直觉相反的是，原本应该相互排斥的原子会靠得很近，从而相互吸引，形成稳定分子晶体。
这一不寻常的发现成为超分子化学中一个长期存在的难题。随后的研究发现，某些卤素原子（氯、溴和碘）与更具电负性的原子（例如碳）之间形成共价键会产生卤素原子上的具有各向异性电荷，即亲电性的“σ-hole”，的分布。因此，卤素原子周围的物理可观察相应静电势不均匀，但在共价结合碳冠的远端表现出正电，被负电带包围（图 2A）。
图2. 对 σ-hole成像的 KPFM 测量示意图。
正因如此，卤键的形成归因于卤素的亲电性的“σ-hole”与另一个卤素或带负电荷的电负原子的电负带之间的吸引力静电相互作用。因此，σ-hole键在超分子化学中起着至关重要的作用，它广泛应用于分子自组装、超分子化学、晶体工程和药物设计等领域。
Part 2: 世界首次！σ-hole的直接真实空间可视化
近年来，以非接触原子力显微镜（nc-AFM）和itProbe为代表的扫描探针技术利用针尖吸附一氧化碳（CO）的方法，极大地提高了扫描探针显微镜的空间分辨率，使得在实空间中对分子内以及分子间的化学键结构直接成像成为可能。然而，直到现在，观察亚原子结构都超出了直接成像方法的分辨率能力，这促使科学家们使用开尔文探针力显微镜检查卤素的亚原子结构。
来自捷克先进技术研究所 (CATRIN)、捷克科学院物理研究所 (FZU)、捷克科学院有机化学和生物化学研究所（IOCB 布拉格）的科学家们通过跨学科合作，致力于开发一种依赖于静电力的先进成像技术，以促进具有亚埃空间分辨率的卤素原子上各向异性电荷分布的可视化。
首先，研究人员开发了一种描述开尔文探针原子分辨率机制的理论，这使他们能够优化成像σ-hole的实验条件，即通过用单个氙原子对尖端探针进行功能化，提高了开尔文探针力显微镜的灵敏度。随后将实验测量和先进的量子化学方法相结合，在超高真空条件下，通过开尔文探针力显微镜 (KPFM) 以前所未有的空间分辨率实现σ-hole的真实空间可视化，观察到溴化四苯甲烷分子（4BrPhM）内溴原子的不均匀电荷分布（图3）。
图3. 使用 Xe 尖端对 4BrPhM 和 4FPhM 分子进行 KPFM 成像。
这是世界上首次对非均匀电子密度电荷分布（即 σ-hole）进行实验可视化，并最终确认了卤素键的概念。σ-hole的特征形状是由带正电的冠部形成的，周围是负电子密度的带（图4）。这种不均匀的电荷分布导致卤素键的形成，这在包括分子晶体工程在内的超分子化学和生物系统中起着关键作用。
图4. 理论预测与实验结果的比较。图片来源：Tomas Bellon / IOCB 布拉格
科学家们表示，能够对单个原子上不均匀的电子密度电荷分布进行成像，将有助于更好地了解单个分子的反应性以及各种分子结构排列的原因。“我认为，可以肯定地说，亚原子分辨率的成像将对包括化学、物理学和生物学在内的各个科学领域产生影响，”论文的通讯作者Pavel Jelínek说道。
总之，精确了解原子上的电子电荷分布对于理解单个原子和分子之间的相互作用（包括化学反应）是十分重要的。该工作开发的新成像技术为人们了解影响日常生活的许多物理、生物和化学系统的材料和结构特性开辟了新的思路。