Crédito: Adaptado de L. Gross e PGAPereira.
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Se você já estudou a química do ensino médio, então você, sem dúvida, lembra os desenhos bizarros dos "orbitais" que descrevem onde em um átomo ou uma molécula um elétron é provável de ser encontrado. Assemelhando-se a nuvens estranhas com múltiplos lobos, as formas e orientações dos orbitais de controle onde os elétrons podem ir e como as moléculas podem compartilhá-los ou trocá-los em ligações químicas e interações. Agora, uma equipe de pesquisadores tomou um passo fundamental para medir diretamente os orbitais de moléculas sobre uma superfície, um avanço que deve deixar os teóricos testarem os resultados de cálculos quânticos de sua mecânica de alta precisão e poderem pavimentar o caminho para projetarem dispositivos moleculares.Para fazer a descoberta, uma equipe de físicos da IBM Research Zurique, na Suíça e na Universidade de Liverpool, no Reino Unido usaram um aparelho chamado microscópio de tunelamento (STM). Ele consiste de um dedo de metal minúsculo com uma ponta apenas de alguns átomos de largura que se move para trás e para frente acima da superfície de uma amostra. Quando os cientistas aplicam uma tensão com o dedo, os elétrons podem pular entre ele e a superfície através de um processo chamado tunelamento quântico. Na mais simples configuração, o tamanho atual revela a densidade de elétrons na superfície, permitindo que seja traçado.
Mas isso não é bom o suficiente para mapear os orbitais de uma molécula individual. Primeiro, a densidade de elétrons não revela a estrutura matemática do orbital diretamente. Isso porque a densidade em um determinado ponto depende somente da região matemática do orbital, enquanto o orbital também pode ter um sinal positivo ou negativo. Na verdade, ele geralmente pode ser um número complexo com as duas partes, uma parte "real" que é um número comum e uma parte "imaginária" que é multiplicada pela raiz quadrada de um. Esse número complexo define a "fase" do lugar no orbital. Mais prático, o STM (run-of-the-mill) que corre do moinho não tem a resolução espacial para detectar os detalhes do orbital. E também a superfície abaixo da molécula da amostra é geralmente de metal, e sua malha, e a falta de características lisas de orbitais de elétrons podem camuflar a molécula estendida em cima dela.Mas Leo Gross e colegas da IBM Research Zurique e do Centro de Pesquisa em Ciências da Superfície da Universidade de Liverpool, no Reino Unido encontraram maneiras de contornar esses problemas. Com base nesta pesquisa anterior, eles isolaram pela primeira vez as moléculas que queriam estudar-moléculas orgânicas chamadas pentaceno e naphthalocyanine- com revestimento da superfície abaixo feita com uma camada ultrafina de isolamento de sal. Então, para melhorar a resolução do STM e torná-lo sensível à fase de orbitais da molécula, os pesquisadores prenderam uma única molécula de monóxido de carbono na ponta do metal do STM. O monóxido de carbono tem uma estrutura simples, mas orbitais distintos ultraperiféricos com dois lobos lado a lado saindo do final da ponta, um com uma fase positiva e outro com uma fase negativa.
Também, a diferença de fase de um lado da ponta para a outra torna a corrente através da ponta, sensível às mudanças na fase do orbital da molécula abaixo. De fato, a atual maxiza para fora os lobos mais-e-menos na linha da ponta ao longo dos lobos no orbital. A corrente cai a zero quando a ponta passa sobre um único lobo denso com carga porque a carga e fase de dois lóbulos da molécula de monóxido de carbono interagem com a molécula do orbital e anulam-se, impedindo os elétrons do túnel atravessá-lo. Isso significa que a dica é particularmente boa em mapear os "nós" ou em locais onde os orbitais da molécula mudam de sinal. Esses são também os lugares aonde o orbital vai a zero e o elétron é certo de não ser encontrado. Assim, os pesquisadores mapearam a "estrutura nodal" do orbital da molécula básica, essencialmente fizeram um esboço dos espaços que continham elétrons."Eles construíram imagens pouco agradáveis", diz David Villeneuve, líder do programa da ciência attosecond no National Research Council do Canadá, em Ottawa. A técnica de STM é uma maneira nova e valiosa para a imagem de uma molécula, Villeneuve disse. "Às vezes, os cálculos quânticos não são corretos, e às vezes você vê as coisas que você não espera", diz ele. Os próprios pesquisadores esperam que a técnica vá levar a designer de engenharia de orbitais para máquinas do tamanho de molécula.
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