Primeira observação de uma distribuição de carga de elétrons não homogênea em um átomo

Comparação da previsão teórica e os resultados do experimento. Crédito: Tomas Bellon / IOCB Praga

Até agora, a observação de estruturas subatômicas estava além das capacidades de resolução dos métodos diretos de imagem, e isso parecia improvável de mudar. Cientistas tchecos, no entanto, apresentaram um método com o qual se tornaram os primeiros no mundo a observar uma distribuição não homogênea de carga de elétrons em torno de um átomo de halogênio, confirmando assim a existência de um fenômeno que havia sido teoricamente previsto, mas nunca observado diretamente. Comparável à primeira observação de um buraco negro, a descoberta facilitará a compreensão das interações entre átomos ou moléculas individuais, bem como de reações químicas, e abre um caminho para o refinamento do material e das propriedades estruturais de vários elementos físicos, biológicos e químicos sistemas. O avanço será publicado na Science.

Em uma extensa colaboração interdisciplinar, cientistas do Instituto Tcheco de Tecnologia Avançada e Pesquisa (CATRIN) da Palacký University Olomouc, o Instituto de Física da Academia Tcheca de Ciências (FZU), o Instituto de Química Orgânica e Bioquímica da Academia Tcheca de Ciências (IOCB Praga) e o Centro de Supercomputação IT4Inovations na VSB – Universidade Técnica de Ostrava conseguiram aumentar drasticamente as capacidades de resolução da microscopia de varredura, que há vários anos permitiu que a humanidade gerasse imagens de átomos individuais e, assim, passaram do nível atômico para o subatômico fenômenos. Os cientistas observaram, pela primeira vez, diretamente uma distribuição assimétrica de densidade de elétrons em átomos individuais de elementos halógenos, o chamado buraco sigma. Com isso, eles confirmaram definitivamente sua existência, teoricamente prevista há cerca de 30 anos, e superaram um dos antigos desafios da ciência.

“Confirmar a existência de buracos sigma teoricamente previstos não é diferente de observar buracos negros, que nunca haviam sido vistos até apenas dois anos atrás, apesar de ter sido previsto em 1915 pela teoria geral da relatividade. Visto nesse sentido, não é muito É exagero dizer que a imagem do buraco sigma representa um marco semelhante no nível atômico”, explica Pavel Jelínek, da FZU e CATRIN, um dos maiores especialistas no estudo teórico e experimental das propriedades físicas e químicas das estruturas moleculares na superfície de substâncias sólidas.

Até agora, a existência do fenômeno conhecido como sigma-hole havia sido indiretamente demonstrada por estruturas cristalinas de raios-X com uma ligação de halogênio, que revelaram a surpreendente realidade de que átomos de halogênio quimicamente ligados de uma molécula e átomos de nitrogênio ou oxigênio de uma segunda moléculas, que devem se repelir, estão em proximidade e, portanto, atraem uma à outra. Essa observação estava em flagrante contradição com a premissa de que esses átomos carregam uma carga negativa homogênea e se repelem por meio da força eletrostática.

Comparação da previsão teórica e os resultados do experimento. Crédito: Tomas Bellon / IOCB Praga

Isso levou os cientistas a examinar a estrutura subatômica do halogênio usando a microscopia de força de sonda Kelvin. Eles começaram desenvolvendo uma teoria que descreve o mecanismo da resolução atômica da sonda Kelvin, o que lhes permitiu otimizar as condições experimentais para imagens de buracos sigma. A combinação subsequente de medições experimentais e métodos químicos quânticos avançados resultou em um avanço notável – a primeira visualização experimental de uma distribuição de carga de densidade de elétrons não homogênea, ou seja, um buraco sigma – e a confirmação definitiva do conceito de ligações de halogênio.

“Nós melhoramos a sensibilidade de nossa microscopia de força de sonda Kelvin funcionalizando a ponta da sonda com um único átomo de xenônio, o que nos permitiu visualizar a distribuição de carga não homogênea em um átomo de bromo dentro de uma molécula de tetrafenilmetano bromado, ou seja, um buraco sigma em espaço real, e confirmar a previsão teórica”, diz Bruno de la Torre da CATRIN e FZU.

“Quando vi o buraco sigma pela primeira vez, certamente fiquei cético, porque isso implicava que havíamos ultrapassado o limite de resolução dos microscópios até o nível subatômico. Assim que aceitei isso, senti orgulho de nossa contribuição em empurrar os limites do experimento e satisfeito por ter aberto um caminho para outros pesquisadores irem mais longe e aplicarem esse conhecimento na descoberta de novos efeitos no nível de um único átomo”, acrescenta de la Torre.

De acordo com os cientistas, a capacidade de criar imagens de uma distribuição de carga de densidade de elétrons não homogênea em átomos individuais irá, entre outras coisas, levar a um melhor entendimento da reatividade de moléculas individuais e a razão para o arranjo de várias estruturas moleculares. “Acho que é seguro dizer que a imagem com resolução subatômica terá impacto em vários campos da ciência, incluindo química, física e biologia”, diz Jelínek.

“Estudei interações não covalentes durante toda a minha vida e me dá grande satisfação que agora podemos observar algo que antes podíamos “ver” apenas em teoria e que as medições experimentais confirmam precisamente nossa premissa teórica da existência e forma do sigma-hole. Isso nos permitirá entender melhor essas interações e interpretá-las”, diz o químico computacional Pavel Hobza, do IOCB Praga, que realizou cálculos químicos quânticos avançados nos supercomputadores da IT4Inovations em Ostrava. “O que estamos vendo é que as ligações de halogênio e as interações não covalentes em geral desempenham um papel dominante não apenas na biologia, mas também na ciência dos materiais. Isso torna nosso trabalho atual na Ciência ainda mais importante”, acrescenta Hobza.

A forma característica do buraco sigma é formada por uma coroa carregada positivamente e rodeada por um cinto de densidade eletrônica negativa. Essa distribuição de carga não homogênea leva à formação de uma ligação de halogênio, que desempenha um papel fundamental, entre outras coisas, na química supramolecular, incluindo a engenharia de cristal molecular, e em sistemas biológicos.

Um conhecimento preciso da distribuição de carga de elétrons nos átomos é necessário para uma compreensão das interações entre átomos e moléculas individuais, incluindo reações químicas. Assim, o novo método de imagem abre a porta para o refinamento das propriedades materiais e estruturais de muitos sistemas físicos, biológicos e químicos que afetam a vida cotidiana.

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