Cientistas nos EUA e no Reino Unido são os primeiros a observar os elétrons reorganizarem suas posições nas moléculas durante os estágios iniciais de uma reação química conduzida pela luz. Eles fizeram isso disparando pulsos de luz ultracurtos e raios X nas moléculas para criar “filmes” de movimento de elétrons. A técnica promete lançar mais luz sobre processos químicos, como a criação de vínculos e a quebra. Seu método também poderia ser usado para estudar outros processos ultra-rápidos em física, química e biologia.
Existem muitas reações químicas que são impulsionadas pela luz. Alguns, como a fotossíntese nas plantas e a produção de vitamina D na pele, são desejáveis, enquanto outros, como o desbotamento da tinta na luz solar, não são. Os químicos previram há muito tempo que o primeiro passo nas reações conduzidas pela luz é o rápido rearranjo dos elétrons, enquanto os núcleos atômicos se movem muito mais lentamente.
“Depois que os elétrons mudam de posição, as forças que atuam nos núcleos mudam, levando ao movimento atômico e a outros processos físicos, como transporte de energia ou carga?, explica Adam Kirrander, da Universidade de Edimburgo. Agora, Kirrander, juntamente com colegas da Edinburgh University, Brown University e do SLAC National Accelerator Laboratory, usaram a dispersão de raios-X para rastrear esse rearranjo em tempo real.
Distribuição de elétrons
A dispersão de raios-X é uma técnica popular para determinar as posições dos átomos dentro de cristais e moléculas. Mas os raios X interagem principalmente com os elétrons atômicos – e não com os núcleos atômicos -, portanto, o espalhamento de raios X revela a distribuição dos elétrons dentro de um material ou molécula. Essa distinção geralmente não importa para uma amostra em equilíbrio, mas durante uma reação química os elétrons em movimento rápido começarão a se rearranjar bem antes que os átomos letárgicos e muito mais pesados ??comecem a se mover. Como resultado, pulsos de raios X ultracurtos podem ser usados ??para observar esse movimento eletrônico.
Fazer isso envolve disparar um pulso de luz ultracurto na amostra de moléculas – o que aciona a reação. Isto é seguido quase imediatamente por um pulso de raios X ultracurto, que tira uma foto da distribuição de elétrons das moléculas à medida que a reação progride. Variando o atraso entre os pulsos da luz e dos raios X, pode ser feito um filme sobre a distribuição variável de elétrons.
Para ver esse movimento, os comprimentos dos dois pulsos e o atraso entre eles devem ser da ordem de dezenas de femtossegundos. No entanto, não é possível ter controle completo do atraso entre os pulsos de luz e raios-X. “Podemos acertar o atraso de tempo entre os pulsos”, explica Kirrander. “Mas depois disso, contamos com algo chamado ‘registro de data e hora’, que é uma ferramenta de diagnóstico que registra o atraso exato entre o pulso óptico e o raio-X”.
Há cinco anos, a equipe realizou um experimento usando pulsos do laser de elétrons livres de raios-X na fonte de luz coerente Linac no SLAC. Eles foram capazes de acompanhar o movimento dos átomos nas moléculas de 1,3-ciclohexadieno em função do tempo, mas a resolução de tempo do experimento não foi boa o suficiente para ver os elétrons se moverem independentemente dos átomos.
Molécula interessante
A espécie 1,3-ciclohexadieno foi utilizada por sofrer uma grande mudança na estrutura eletrônica e, portanto, favorável à realização de filmes de raios-X. No entanto, Kirrander ressalta que é uma “molécula interessante que serve como um modelo importante para reações biológicas mais complexas, como a que produz vitamina D quando a luz do sol atinge a pele”.
Agora, a equipe aprimorou o experimento e as técnicas de análise de dados e agora é capaz de observar o movimento preliminar dos elétrons quando os pulsos de luz atingem o 1,3-ciclohexadieno. Eles descobriram que a distribuição de elétrons aumentou de tamanho durante um período de 30 segundos (veja a figura).
Michael Minitti, cientista sênior da SLAC, explica: “Estamos imaginando esses elétrons enquanto eles se movem e se deslocam. Isso abre o caminho para observar movimentos de elétrons dentro e ao redor da quebra e formação de ligações diretamente e em tempo real”.
Kirrander ressalta que a técnica pode ser usada para estudar uma variedade de sistemas – no entanto, pode ser complicado aplicá-la a situações em que elétrons e átomos se movem na mesma escala de tempo. “Com mais melhorias nos experimentos e na análise de dados, prevemos que seremos capazes de capturar simultaneamente alterações na estrutura eletrônica e nas posições atômicas em processos dinâmicos complexos”.
|Publicado em 24/05/2020 16h15
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