Cientistas da IBM distinguem pela primeira vez ligações moleculares individuais

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Cientistas da IBM conseguiram pela primeira vez desvendar as ligações químicas existentes em moléculas individuais, utilizando uma técnica conhecida como microscopia de força atómica (AFM, em inglês). A investigação contou com a participação de cientistas espanhóis do Centro de Investigação em Química Biológica e Materiais Moleculares (CIQUS) da Universidade de Santiago de Compostela.

Os resultados desta descoberta conduzirão a novas investigações sobre a utilização de moléculas e átomos à mais pequena escala; e poderão, inclusive, ser importantes para o estudo de dispositivos produzidos com grafeno. Atualmente, tanto a indústria como a ciência estão a estudar a aplicação destes dispositivos em campos, como as comunicações de banda larga sem fios ou ecrãs.

“Encontrámos dois mecanismos de contraste para distinguir estas ligações. O primeiro baseia-se em pequenas diferenças na força medida sobre as ligações. Esperávamos esse tipo de contraste, mas tem sido um desafio para consegui-lo”, disse o cientista da IBM, Leo Gross. “O segundo mecanismo de contraste foi realmente uma surpresa: as ligações apareceram com diferentes comprimentos em medições AFM. Com a ajuda de cálculos computacionais descobrimos que a inclinação da molécula de monóxido de carbono no vértice da ponta da sonda foi a causa deste contraste”.

Como aparece na capa da revista Science, cientistas da IBM desvendaram a ordem e a duração das ligações individuais entre átomos de carbono em nanoestruturas de fulerenos C60, também conhecidas como buckyball, pela sua forma de bola de futebol, e em dois hidrocarbonetos policíclicos aromáticos (PAHs, na sigla em Inglês) planos, que se assemelham a pequenos flocos de grafeno.

As ligações individuais entre os átomos de carbono nestas moléculas diferem subtilmente na sua força e comprimento. Todas as propriedades químicas, eletrónicas e óticas deste tipo de moléculas estão relacionadas com as diferenças das ligações nos sistemas poliaromáticos. Agora, pela primeira vez, estas diferenças foram observadas em moléculas e ligações individuais. Isso pode aumentar o nível de conhecimento das moléculas individuais, o que é importante para o estudo de novos dispositivos eletrónicos, células solares orgânicas e diodos orgânicos emissores de luz (OLEDs, na sigla em Inglês). Em particular, com esta nova técnica será possível observar o enfraquecimento das ligações em redor das imperfeições no grafeno ou as mudanças que existem nas ligações nas reações químicas e em estados excitados.

Como foi explicado na investigação anterior (Science 2009, 325, 1110), os cientistas da IBM usaram um microscópio de força atómica (AFM), com uma ponta da sonda que termina com uma única molécula de monóxido de carbono (CO).

Em investigações anteriores, a equipa de cientistas foi bem sucedida na obtenção de imagens da estrutura química de moléculas individuais, mas falhou até agora a imagem das subtis diferenças nas ligações. Conseguir discriminar a ordem das ligações permite dizer que estamos perto do limite de resolução da técnica. Muitas vezes, outros modelos de trabalho ocultam o contraste em relação à ordem das ligações. Por isso, os cientistas tiveram que selecionar e sintetizar moléculas em que se poderia eliminar qualquer efeito perturbador.

Para corroborar os resultados experimentais e obter uma melhor compreensão da natureza exata dos mecanismos de contraste, a equipa desenvolveu cálculos usando a Teoria Funcional da Densidade (DFT). Deste modo, calcularam a inclinação da molécula de CO no vértice da ponta da sonda, o qual ocorre durante o processo de visualização. Os cientistas descobriram como essa inclinação resulta numa amplificação das imagens das ligações.


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