Molécula individual é fotografada pela primeira vez

Redação do Site Inovação Tecnológica - 28/08/2009

Acima, a primeira imagem gerada de uma molécula individual, uma molécula orgânica chamada pentaceno. Abaixo, a estrutura teórica do pentaceno.
[Imagem: IBM Research - Zurich]

"Fotografia" de uma molécula individual

Cientistas da IBM, em Zurique, produziram a primeira imagem da "anatomia" de uma molécula. Embora os mais poderosos microscópios já tenham conseguido fazer imagens de átomos individuais, que são muito menores, as moléculas são muito mais sensíveis e não existia até agora um equipamento capaz de "fotografá-las" diretamente.

O termo fotografia, como comumente usado, não é exato porque a imagem é gerada pela interação entre a ponta de prova de um microscópio de força atômica e a molécula que está sendo observada. As medições dessas interações são interpretadas pelo software do microscópio, que produz uma imagem do relevo da molécula.

Imagens das estruturas atômicas

"Embora não seja uma comparação exata, se você pensar em como um médico usa um raio X para fazer imagens dos ossos e dos órgãos internos do corpo humano, nós estamos usando o microscópio de força atômica para fazer uma imagem das estruturas atômicas que são a espinha dorsal das moléculas individuais," disse o Dr. Gerhard Meyer, que coordenou o grupo de pesquisadores.

A nova tecnologia de imageamento molecular terá grande impacto em todas as pesquisas envolvendo as nanociências e nanotecnologias, além da biologia, química e eletrônica molecular.

Tipos de microscópios eletrônicos

As primeiras imagens de átomos individuais foram geradas ainda nos anos 1970 alvejando-se uma amostra metálica com um feixe de elétrons, uma técnica chamada Microscopia de Transmissão Eletrônica (TEM - Transmission Electron Microscopy). O problema com essa técnica é que o feixe de elétrons destrói as ligações entre os átomos que formam a molécula, tornando impraticável a geração da imagem de uma molécula inteira.

Uma outra técnica de imageamento atômico é chamada Microscopia de Varredura por Tunelamento (STM - Scanning Tunnelling Microscopy), que usa uma ponta de prova para medir a densidade das cargas elétricas de cada átomo.

A terceira técnica, que foi a base para o avanço agora alcançado pelos cientistas da IBM, é a Microscopia de Força Atômica (AFM - Atomic Force Microscopy), que produz as imagens medindo a força de atração entre os átomos da amostra e a ponta de prova do microscópio. É como se a ponta de prova, que é tão fina que sua extremidade pode conter um único átomo, "apalpasse" a amostra. A imagem é criada a partir das variações na intensidade da força de interação entre a ponta de prova e o átomo.

O microscópio eletrônico cria uma espécie de "mapa topográfico" da molécula. A visualização direta, por meios ópticos, é impraticável porque a molécula é muito menor do que o comprimento de onda da luz visível.
[Imagem: IBM Research - Zurich]

Interação molecular

Embora o AFM tivesse tudo para ser usado para gerar imagens de moléculas inteiras, sua ponta acaba interagindo com a molécula, impedindo a aquisição da imagem.

Os cientistas resolveram este problema colocando na ponta de prova do microscópio uma molécula de monóxido de carbono. Como amostra, eles usaram uma molécula chamada pentaceno, uma molécula orgânica que possui 22 átomos de carbono e 14 átomos de hidrogênio e mede 1,4 nanômetro de comprimento.

Nesta configuração, a molécula de pentaceno entra em contato apenas com a molécula pouco reativa de oxigênio do monóxido de carbono, não correndo o risco de se quebrar ou de simplesmente grudar na ponta do microscópio devido às forças eletrostáticas ou de van der Waals.

Forças de atração e repulsão

Embora as forças de van der Walls atraiam a molécula para a ponta de prova, um efeito da mecânica quântica, chamado Princípio da Exclusão de Pauli, empurra-a de volta. Isto acontece porque os elétrons no mesmo estado quântico não podem se aproximar demais.

Como os elétrons ao redor da molécula de pentaceno e os elétrons ao redor da molécula de monóxido de carbono estão no mesmo estado, cria-se uma pequena força repulsiva que as mantém afastadas, permitindo o funcionamento do microscópio de força atômica.

Medindo esta força, os cientistas construíram uma espécie de "mapa topográfico" da molécula, que se transformou nesta imagem histórica, a primeira visualização de uma molécula inteira.

O espaçamento entre os átomos de carbono na molécula é de 0,14 nanômetro. Na imagem pode-se ver claramente o formato hexagonal dos cinco anéis de carbono e a posição de cada átomo individual de carbono. Mesmo as posições dos átomos de hidrogênio podem ser deduzidas a partir da imagem.

A ponta do microscópio passa a apenas 0,5 nanômetro da amostra. Foram necessárias 20 horas de funcionamento do microscópio para se fazer uma única imagem.

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