В МФТИ нашли способ ловли "бездомных" электронов

Группа исследователей из МФТИ, итальянского центра ISTM-CNR и Миланского университета смогли экспериментально подтвердить эффективность ранее разработанной модели, позволяющей искать и изучать делокализованные электроны, или электронные облака, внутри молекулы или кристалла. Новое открытие пригодится в создании перспективных металлорганических соединений или изучении сложных билогических систем. Соответствующая статья опубликована в Acta Crystallographica.

По своим размерам электроны намного меньше атомов, из-за чего они подчиняются законам квантовой механики, а не классической, действующей в привычном нам макромире. Поэтому установить точное местоположение и остальные параметры того или иного электрона одновременно невозможно (это запрещают базовые квантово-механические принципы). В результате поведение электронов не получается описать уравнениями, которые работают для обычных, неквантовых объектов. Исследователи вынуждены рассматривать электрон не как "шарик", а как размытое облако с нечётко очерченными "краями".

Поведение обычного электрона в составе атома при этом ещё можно попытаться предсказать (с какой-то вероятностью). Однако в ряде важных случаев электроны внутри молекул или кристаллов нельзя соотнести с каким-то конкретным атомом. Они "размазаны" по всей структуре целиком, из-за чего их называют "делокализованные электроны", или электронные облака. К сожалению, без изучения таких частиц не разобраться в формировании некоторых важных молекул. Например, именно они формируют кольцо в молекуле бензола или её производных, играющих огромную роль в органической химии.

Всё это многие годы побуждало учёных создать такую математическую модель, которая позволяла бы быстро и при этом точно предсказать распределение делокализованных электронов. В 2016 году Карло Гатти, Габриэле Салех (сотрудник МФТИ) и Леонардо Ло Прести из Миланского университета продемонстрировали новый вариант применения модели Бадера-Гатти в области изучения химических связей. Базовая модель Бадера-Гатти рассматривает молекулу (или кристалл) как набор отдельных элементов, каждый из которых вносит вклад в итоговое распределение электронов.

Для анализа эффективности новой модели её предсказания сверяли с  данными, полученными ранее другой группой европейских и австралийских учёных экспериментально. Они обстреливали рентгеновскими лучами и нейтронами мишени с бензолом, нафталином и рядом других соединений с делокализованными электронами. В ходе этих экспериментов пучок рентгеновских лучей направлялся на образец, а затем учёные фиксировали то, как именно он рассеивался, проходя через мишень. Фотоны рентгеновского излучения отклонялись при взаимодействии с электронными облаками, и, фиксируя изменения их траектории до и после мишени, учёные смогли довольно точно определить распределение электронов внутри изучаемого кристалла. Такое распределение описывается при помощи понятия "электронной плотности".

В своей статье исследователи отмечают, что их разбор результатов рассеяния рентгеновских лучей позволяет говорить о высокой точности описания тонких эффектов, связанных с делокализацией электронов в органических молекулярных кристаллах посредством усовершенствованной модели Бадера-Гатти. Данные экспериментов, таким образом, прекрасно согласуются с результатами численного моделирования на основе этой модели.

Это позволит применить её для исследования молекул и кристаллов, в том числе и весьма важных в прикладном плане. Детальное представление о том, как именно распределены электроны внутри изучаемого объекта, необходимо при расчёте взаимодействия молекул друг с другом. Данные об электронной плотности позволяют выяснить, какие именно молекулы продвинутых лекарств могут подобраться к белку-мишени и вступить с ним в реакцию.