Buraco negro atômico é observado pela primeira vez

Redação do Site Inovação Tecnológica - 07/01/2022

Esta é a primeira imagem (parte superior direita) de um buraco sigma, um padrão anisotrópico na distribuição de carga dos elétrons que envolvem alguns átomos.
[Imagem: T. Bellon/IOCB Prague]

Buraco negro atômico

Cientistas tchecos obtiveram a primeira imagem de um buraco sigma em um átomo, algo que até agora só existia na teoria.

Mais conhecidos como "buracos negros atômicos", esses eventos singulares parecem ocorrer apenas em átomos de elementos halogênios, os elementos do grupo 17 da Tabela Periódica (Flúor, Cloro, Bromo, Iodo, Astato e Tenesso).

Trata-se de uma distribuição de carga dos elétrons que tem uma imagem semelhante à estrutura em forma de anel que circunda um buraco negro.

Esta é a primeira vez que se consegue fazer uma imagem direta desses buracos negros atômicos, algo que os físicos estão comparando com a primeira observação direta de um buraco negro cósmico.

"Confirmar a existência dos buracos sigma previstos teoricamente não é diferente de observar buracos negros, que nunca haviam sido vistos até apenas dois anos atrás, apesar de terem sido previstos em 1915 pela Teoria Geral da Relatividade", disse o professor Pavel Jelínek, da Academia Tcheca de Ciências. "Dessa perspectiva, não é muito exagero dizer que a imagem do buraco sigma representa um marco semelhante no nível atômico."

Observe que um buraco sigma é algo totalmente diferente da simulação atômica de um buraco negro cósmico, algo que os físicos vêm fazendo ao longo da última década.

Buracos sigma

O mundo dos átomos ainda é algo muito misterioso. Já conseguimos observar, medir e destruir núcleos e elétrons, mas o espaço entre esses blocos de construção da matéria sempre esteve fora do nosso campo de visão.

Até agora, a existência do fenômeno conhecido como buraco sigma costumava ser demonstrada indiretamente com raios X disparados sobre cristais com ligações de halogênio. Esses experimentos confirmaram algo surpreendente: Átomos de halogênio quimicamente ligados de uma molécula e átomos de nitrogênio ou oxigênio de uma segunda molécula, que deveriam se repelir, estão próximos e, portanto, se atraem.

A ponta do microscópio eletrônico de varredura, com um único átomo de xenônio (Xe), mapeia a distribuição de cargas do átomo de bromo (Br). A coroa azul mostra a carga positiva no topo do átomo, rodeada pela nuvem de elétrons negativos em vermelho. No meio está a imagem experimental do buraco sigma.
[Imagem: AVCR]

Esses dados estão em flagrante contradição com a premissa de que esses átomos carregam uma carga negativa homogênea e, portanto, deveriam se repelir por meio da força eletrostática.

A equipe do professor Pavel Jelinek conseguiu agora capturar uma imagem direta do fenômeno desenvolvendo uma melhoria para a conhecida técnica da microscopia eletrônica de varredura, que já permitia criar imagens de átomos, mas nada menor - e parecia improvável que isso mudasse.

No entanto, a equipe aprimorou a compreensão teórica do que acontece quando se usa uma técnica conhecida como microscopia de força de sonda Kelvin (KPFM). Ao destrinchar as forças que atuam entre a ponta do microscópio e o átomo sendo observado, eles conseguiram finalmente atingir uma resolução subatômica.

O microscópio então gerou uma imagem fiel da distribuição da densidade dos elétrons em átomos individuais de elementos halógenos, finalmente revelando o buraco sigma, ou buraco negro atômico, um fenômeno previsto há 30 anos, mas nunca antes observado.

A aparência dos buracos sigma

A forma característica do buraco sigma consiste em uma coroa positivamente carregada, rodeada por um cinturão de densidade eletrônica negativa.

Essa distribuição de carga não-homogênea leva à formação de uma ligação halogênio, que desempenha um papel fundamental, entre outras coisas, na química supramolecular, incluindo a engenharia dos cristais moleculares, e nos sistemas biológicos.

"Eu tenho estudado interações não-covalentes durante toda a minha vida e me dá grande satisfação que agora possamos observar algo que antes podíamos 'ver' apenas em teoria, e que as medições experimentais confirmam precisamente nossa premissa teórica da existência e da forma do buraco sigma," disse Pavel Hobza, membro da equipe. "Isso nos permitirá entender melhor essas interações e interpretá-las."

Um conhecimento preciso da distribuição de carga dos elétrons nos átomos é essencial para entendermos as interações entre átomos e moléculas individuais, incluindo as reações químicas.

Assim, além de permitir observar diretamente os buracos negros atômicos, o novo método de imagem desenvolvido pela equipe abre as portas para o refinamento das propriedades materiais e estruturais de muitos sistemas físicos, biológicos e químicos.

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