Cientistas fazem mapa dos elétrons de uma única molécula

Redação do Site Inovação Tecnológica - 28/02/2012

O mapa mostra a distribuição de cargas em uma única molécula de naftalocianina.
[Imagem: IBM Research]

Mapa de distribuição de cargas

Pesquisadores da IBM conseguiram captar pela primeira vez imagens da distribuição das cargas elétricas em uma única molécula - essencialmente um mapa dos elétrons da molécula.

As imagens revelam detalhes de uma complexa "dança" de elétrons, mostrando a distribuição de energia entre os segmentos da molécula.

Os cientistas já haviam medido a carga elétrica e até o spin de um átomo individual, embora o que mais tenha sido comemorado tenha sido a foto de átomo neutro.

Mas a coisa é mais complicada quando se lida com moléculas, conforme a mesma equipe já havia demonstrado em 2009, quando fez a primeira "fotografia" de uma molécula individual.

Microscópio de sonda Kelvin

Fabian Mohn e seus colegas combinaram vários tipos de microscópios eletrônicos, mas demonstraram a utilidade especial de um tipo menos conhecido deles, chamado microscópio de força por sonda Kelvin (KPFM: Kelvin probe force microscopy).

Trata-se de uma variação do microscópio de força atômica, mas que não faz contato físico com a amostra que está sendo analisada.

Um braço oscilante, ou cantiléver, com uma ponta formada por uma única molécula passa sobre a amostra, que é eletricamente condutora. A diferença de potencial entre a ponta e a amostra gera um campo elétrico que pode ser medido.

O microscópio eletrônico não mede a carga elétrica da molécula diretamente, mas o campo elétrico gerado por essa carga. O campo é mais forte nas áreas da molécula que estão carregadas.
[Imagem: IBM Research]

Assim, o microscópio não mede a carga elétrica da molécula diretamente, mas o campo elétrico gerado por essa carga. O campo é mais forte nas áreas da molécula que estão carregadas.

Áreas com cargas opostas produzem um contraste diferente porque a direção do campo elétrico se inverte - é essa diferença que gera as áreas mais claras ou mais escuras da imagem.

O material analisado na verdade era uma única molécula de naftalocianina - o sistema experimental todo inclui, além da molécula observada, uma finíssima camada isolante de sal de cozinha (NaCl), que as separa do substrato de ouro.

"Nós mostramos que a microscopia de força por sonda Kelvin pode mapear a diferença de potencial desse sistema com resolução submolecular, e nós usamos cálculos teóricos de densidade funcional para verificar que esses mapas refletem a distribuição intramolecular das cargas," afirmam os cientistas.

Chave molecular

A naftalocianina é uma molécula que, por ficar saltando de um estado para outro sob a ação de uma carga elétrica, já está sendo estudada para o desenvolvimento de um transístor molecular.

O que os cientistas observaram foi esse "chaveamento" da molécula, em que um elétron salta de um dos seus braços para o outro, alterando a distribuição de carga da naftalocianina.

Embora seja uma pesquisa básica, a expectativa é que a melhoria das técnicas de observação de materiais em escala molecular e atômica permita o melhor entendimento de mecanismos envolvidos, por exemplo, com o desenvolvimento de melhores catalisadores e da fotossíntese artificial.

"Esta técnica poderá ajudar a fornecer insights fundamentais sobre o chaveamento de moléculas individuais e a formação de ligações [químicas], processos que normalmente são acompanhados da redistribuição de cargas no interior das moléculas ou entre moléculas," conclui o grupo.

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