Orbitais dos elétrons são observados com microscópio eletrônico

Redação do Site Inovação Tecnológica - 22/05/2023

Imagens de microscopia eletrônica de Fe e Co, mostrando os orbitais dos elétrons.
[Imagem: Pengcheng Chen et al. - 10.1038/s41467-023-37023-9]

Matemática concreta

Ninguém jamais será capaz de ver uma construção puramente matemática, como um ponto ou uma esfera perfeita.

Mas a última década tem mostrado mais do que nunca que não podemos impor limites à realidade: Por exemplo, físicos demonstraram que a função de onda é uma entidade real, uma espécie de matemática que virou realidade.

A função de onda é uma descrição matemática das partículas atômicas e subatômicas - lembre-se que as partículas nessa escala podem ser interpretadas como partículas ou como ondas. A função de onda de um elétron, por exemplo, é uma descrição matemática do seu movimento ondulatório.

No ano passado, físicos conseguiram pela primeira vez demonstrar experimentalmente a função de onda do elétron.

Agora, Pengcheng Chen e colegas de uma equipe multi-institucional usaram simulações feitas em um supercomputador e experimentos em um microscópio atômico para mostrar os orbitais dos elétrons, que também são definidos por equações matemáticas da mecânica quântica, equações que preveem a probabilidade da posição de um elétron em um átomo.

Detectando os orbitais dos elétrons

As simulações computadorizadas permitiram que os pesquisadores observassem diretamente as assinaturas dos orbitais dos elétrons em dois átomos diferentes de metais de transição - ferro (Fe) e cobalto (Co) - presentes em um composto conhecido como metal-ftalocianina.

O mais interessante é que essas assinaturas são aparentes nas forças medidas pelos microscópios de força atômica. "Apesar de Fe e Co serem átomos adjacentes na tabela periódica, o que implica semelhança, os espectros de força correspondentes e suas imagens medidas mostram diferenças experimentais reproduzíveis," disse o professor James Chelikowsky, da Universidade do Texas em Austin.

A análise teórica, por sua vez, permitiu determinar a fonte dessas diferenças. "Quando observamos as imagens experimentais pela primeira vez, nossa reação inicial foi nos maravilhar com a forma como o experimento consegue capturar diferenças tão sutis. Essas são forças muito pequenas," acrescentou Chelikowsky.

Os cálculos da estrutura eletrônica são baseados na chamada Teoria do Funcional da Densidade, que parte de equações mecânicas quânticas básicas e serve como uma abordagem prática para prever o comportamento dos materiais.

"Ao observar diretamente as assinaturas dos orbitais eletrônicos usando técnicas como a microscopia de força atômica, podemos obter uma melhor compreensão do comportamento de átomos e moléculas individuais e, potencialmente, até mesmo como projetar e engenheirar novos materiais com propriedades específicas. Isso é especialmente importante em áreas como ciência de materiais, nanotecnologia e catálise," disse Chelikowsky.

Topografia feita por microscópio de corrente de tunelamento e vistas esquemáticas da geometria de adsorção.
[Imagem: Pengcheng Chen et al. - 10.1038/s41467-023-37023-9]

Ganhos em experimentos e em simulações por computador

Ao demonstrar que as assinaturas orbitais eletrônicas são realmente observáveis usando microscópios de força atômica, os cientistas afirmam que esse novo conhecimento pode estender a aplicabilidade dessa ferramenta, presente em quase todos os laboratórios, em diferentes áreas.

Além disso, a equipe usou uma ponta de sonda molecular inerte para analisar outra molécula, conseguindo medir com precisão as interações entre as duas moléculas. Isso viabiliza o estudo de reações químicas de superfície específicas.

Por exemplo, suponha que um catalisador pode acelerar uma determinada reação química, mas não se sabe qual sítio molecular é responsável pela catálise; neste caso, uma ponta de microscópio preparada com a molécula reagente pode ser usada para medir as interações em diferentes locais, determinando finalmente o local ou locais quimicamente ativos.

A possibilidade de obter informações do nível orbital também trará uma compreensão muito mais profunda do que acontecerá quando ocorrer uma reação química, permitindo projetar catalisadores mais eficientes.

A parte computadorizada do estudo também trará benefícios. "Os supercomputadores, de várias maneiras, nos permitem controlar como os átomos interagem sem precisar ir ao laboratório. Este trabalho pode orientar a descoberta de novos materiais sem um procedimento trabalhoso de 'tentativa e erro'," concluiu Chelikowsky.

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