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Nanotecnologia

Cientistas fazem foto 3D da camada de valência de uma molécula

Redação do Site Inovação Tecnológica - 04/05/2010

Cientistas fazem foto 3D da camada de valência de uma molécula
Medição experimental do ciclo de evolução temporal (da esquerda para a direita) da nuvem eletrônica externa de uma molécula de NO. As setas indicam a polarização do feixe de laser que alinha as moléculas durante o experimento.[Imagem: Tang et al./PRL]

Nuvem de valência

Como todo estudante do ensino médio sabe, a química entre os átomos e as moléculas é fortemente determinada pela sua camada externa de elétrons, a chamada camada de valência.

O que poucos deles sabem é que as camadas dos elétrons são melhor representadas por nuvens de elétrons, e não por elétrons-partículas, como mostrado no conhecido modelo de Bohr, no qual um átomo é desenhado como se fosse um sistema solar, com os elétrons girando em órbitas bem definidas ao redor do núcleo.

Imagem 3D da camada de valência

Agora, uma equipe de cientistas japoneses desenvolveu uma técnica que é capaz de detectar a forma tridimensional e a dinâmica de uma nuvem de elétrons - mais especificamente, da camada de valência de uma molécula.

"A forma de uma nuvem de elétrons está no cerne das interações intermoleculares que levam a todas as maravilhas da química," comenta Toshinori Suzuki, do Instituto Riken, que liderou a equipe que reuniu cientistas de três instituições do Japão.

Medir a dinâmica de uma nuvem de elétrons é difícil porque as moléculas nos gases e nos líquidos sempre se movimentam aleatoriamente, o que torna difícil tirar uma foto instantânea do movimento médio de um grande número de moléculas.

Entretanto, a excitação do óxido nítrico (NO) por um feixe de laser polarizado consegue alinhar as moléculas ao longo de um eixo, permitindo a medição precisa de sua nuvem eletrônica externa, justamente a mais interessante para os químicos.

Nuvem de elétrons

Para detectar a forma da nuvem eletrônica externa de uma molécula de NO, alinhadas pelo primeiro pulso de laser, Suzuki e seus colegas liberaram os elétrons da última camada usando um segundo pulso de laser.

Eles então aplicaram um campo elétrico para acelerar e projetar a nuvem de elétrons que se expandia em uma tela fluorescente, onde ela pode ser visualizada como uma representação direta da distribuição eletrônica original.

Os pesquisadores então usaram algoritmos de computador, semelhantes aos utilizados na tomografia computadorizada, para construir uma imagem tridimensional da nuvem de elétrons a partir da representação bidimensional criada na tela fluorescente.

Eliminando os borramentos

Segundo Suzuki, princípios fundamentais da mecânica quântica limitam o grau em que as moléculas podem ser alinhadas pelo pulso de laser. Isto significa que a imagem tridimensional resultante é sempre um tanto borrada. Remover esta indefinição na imagem final foi, segundo ele, a parte mais difícil do processo.

Para gerar uma imagem ainda mais precisa, os cientistas analisaram como a imagem tridimensional muda quando as moléculas saem do alinhamento. Ao corrigir estes efeitos de desalinhamento eles conseguiram melhorar ainda mais a nitidez da imagem.

Danos ao DNA

O algoritmo desenvolvido pela equipe é capaz de visualizar a nuvem eletrônica externa de uma molécula em repouso, mas o desafio agora é mapear as rápidas mudanças que ocorrem durante as reações químicas.

"A molécula de NO foi apenas um teste," explica Suzuki. "Nosso alvo principal são as moléculas mais complexas e suas reações químicas em resposta à incidência de luz de cores diferentes."

A visão de futuro dos pesquisadores é utilizar a técnica para estudar o mecanismo de danos ao DNA induzidos pela radiação, a partir de observações em tempo real dos movimentos dos elétrons em suas moléculas constituintes.

Bibliografia:

Molecular Frame Image Restoration and Partial Wave Analysis of Photoionization Dynamics of NO by Time-Energy Mapping of Photoelectron Angular Distribution
Ying Tang, Yoshi-Ichi Suzuki, Takuya Horio, Toshinori Suzuki
Physical Review Letters
Vol.: 104, 073002 (2010)
DOI: 10.1103/PhysRevLett.104.073002
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