Chip filma e controla reação química em tempo real

Redação do Site Inovação Tecnológica - 21/07/2025

(a) Oito pontes moleculares de carbazol ancoradas entre um par de fios metálicos e caracterizadas pela eletroluminescência - a barra de escala é de 30 nm. (b) Imagem ampliada do chip de molécula única. (c) Protótipo do chip. (d) Fotografia da catálise por campo elétrico externo para a reação MBH em múltiplos dispositivos de molécula única.
[Imagem: Chen Yang et al. - 10.1093/nsr/nwaf172]

Filmar reações químicas

Desde o início da química, os cientistas sonham em observar todas as etapas das reações químicas. O problema é que essas etapas ocorrem rápido demais para serem observadas com os instrumentos disponíveis, o que inviabiliza a otimização de processos vitais para a síntese de produtos químicos, fármacos e materiais.

A tecnologia está progredindo rapidamente nos últimos anos. Há cerca de uma década, contamos com uma câmera capaz de filmar reações químicas, embora não em todos os detalhes. Mas a câmera mais rápida do mundo hoje já captura trilhões de quadros por segundo, e as inovações são contínuas nessa área.

A mais recente delas, anunciada agora, é um chip feito a partir do grafeno, um sensor de imagem capaz de filmar reações com resolução de nanossegundos - 1.000 vezes mais rápido do que os métodos existentes.

O grafeno permitiu construir eletrodos pontuais, nos quais uma única molécula é ancorada por meio de duas ligações covalentes, criando um acoplamento de interface preciso que oferece uma estreita faixa dinâmica de flutuação de corrente e uma alta tolerância a ambientes de solução, essencial para observar reações químicas em geral. Além disso, a configuração de uma única molécula permite monitorar em tempo real as taxas de reação, revelando o mecanismo inerente à reação.

Usando essa técnica, os pesquisadores capturaram intermediários elusivos da reação de Morita-Baylis-Hillman (MBH), uma reação química de formação de ligações de carbono amplamente utilizada, mas que ainda é muito ineficiente.

Diagrama da molécula inserida no chip, mostrando o monitoramento elétrico com resolução de nanossegundos. No canto inferior esquerdo está o mecanismo da reação MBH.
[Imagem: Chen Yang et al. - 10.1093/nsr/nwaf172]

Controle das reações químicas

O monitoramento em tempo real da reação feita pelo chip de grafeno revelou duas vias de transferência de prótons: Uma rota coordenada de transporte (via cinética) e um processo dominante em etapas (via termodinâmica).

Surpreendentemente, a reação apresentou um comportamento oscilatório, induzido por ciclos de retroalimentação de energia no nível de uma molécula única - em outras palavras, o experimento essencialmente revelou a complexidade emergindo em escala molecular.

Mas aconteceu algo ainda mais interessante para a exploração prática dessa inovação: Ao aplicar um campo elétrico através dos eletrodos do chip, a equipe conseguiu acelerar drasticamente a reação, atingindo uma frequência de rotação de 5.000 reações por segundo - um aumento enorme em relação aos métodos convencionais.

E os pesquisadores foram além, escalando essa abordagem pela integração de múltiplos chips. Isto permitiu sintetizar múltiplos compostos em uma hora, com os produtos sendo caracterizados por espectros de massa, abrindo caminho para a fabricação química com elevada eficiência energética - ao menos em escala de chip, por enquanto, o que já é útil o suficiente para a indústria farmacêutica, por exemplo.

"É como instalar câmeras de alta velocidade ao lado de moléculas. Ao observar a dinâmica das reações diretamente, podemos projetar catalisadores e protocolos de síntese sustentáveis de forma racional," disse professor Xuefeng Guo, da Universidade de Pequim, na China.

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