Técnica poderá ser aplicada para facilitar entendimento de reações químicas e para identificação de substâncias por meio de luz

A técnica aumentará a precisão de análises sobre processos de combustão, química atmosférica e química forense, onde é necessária a detecção de compostos em pequenas quantidades

Uma nova forma de manipular com precisão átomos e moléculas, componentes inimaginavelmente pequenos que formam a matéria, foi desenvolvida em uma pesquisa com participação da Faculdade de Filosofia, Ciências e Letras de Ribeirão Preto (FFCLRP) da USP. Os cientistas usaram diferentes frequências de luz para provocar mudanças nos estados das partículas. A técnica poderá ser aplicada para facilitar o entendimento de reações químicas e para identificação de substâncias por meio de luz (espectroscopia), aumentando a precisão de análises sobre processos de combustão, química atmosférica e química forense, onde é necessária a detecção de compostos em pequenas quantidades.

O experimento é descrito em artigo publicado no site Nature Communications em 13 de abril. “Em física clássica, saber o estado de um sistema implica saber tudo que é necessário para prever o futuro do sistema. Por exemplo, para uma partícula clássica livre, sua posição e velocidade determinam sua trajetória”, explica o professor Antonio Gustavo Sampaio de Oliveira Filho, da FFCLRP, que participou da pesquisa. “Já o comportamento de átomos e moléculas é regido pela mecânica quântica, na qual não se pode conhecer com precisão a posição e velocidade simultaneamente.”

Como consequência, saber o estado quântico de átomos e moléculas envolve o máximo de conhecimento possível sobre o sistema, aponta o professor. “Para uma molécula, isso significa conhecer sua energia e como está distribuída em energia translacional (como se movimenta no espaço), vibracional (como os átomos que formam a molécula se movimentam em relação uns aos outros), rotacional (como a molécula gira em torno de si mesma) e eletrônica (qual é a configuração dos elétrons na molécula).”

De acordo com Oliveira Filho, existem outras formas de realizar o controle óptico de átomos e moléculas. “Inclusive, já é conhecido um método de preparar moléculas com altas energias rotacionais, as centrífugas ópticas”, afirma. “Mas o método utilizado em nosso trabalho é diferente, produzindo distribuições de velocidade de rotação bastante estreitas, ou seja, com a energia rotacional bem definida, o que pode ser importante para eventuais aplicações.”

Controle óptico

O controle óptico foi observado num experimento de espectroscopia. “Primeiramente, moléculas eletricamente carregadas de monóxido de silício são geradas e introduzidas em uma armadilha feita com campos elétricos, onde também são resfriadas a laser a uma temperatura próxima do zero absoluto”, descreve o professor. “Isso faz com que o movimento translacional diminua, sem alterar sua velocidade de rotação, mantendo a energia das partículas distribuída em vários estados rotacionais. Em seguida, o controle óptico gera, por meio de uma sequência de excitações com lasers, distribuições rotacionais estreitas ao redor de um determinado estado desejado.”

“Uma vez preparada, a molécula é excitada, por meio de luz, para um estado eletrônico em que a velocidade de rotação é suficiente para quebrar a ligação química, permitindo a detecção de partículas por espectrometria de massas”, conclui Oliveira Filho. “A caracterização dos estados eletrônicos, transições e do processo de dissociação foi realizada também por cálculos mecânico-quânticos e foi observada uma excelente concordância entre os resultados teóricos e experimentais.”

Uma das possíveis aplicações, demonstrada no trabalho, é a determinação da estrutura molecular longe da distância de equilíbrio. “O controle sobre as propriedades moleculares permite entender e manipular reações químicas no nível mais fundamental”, diz o professor. “Outra possível aplicação é no processamento de informação quântica, pois a molécula estudada no trabalho tem um grande número de estados quânticos, fazendo com que possa existir o interesse em utilizá-la em computadores quânticos.”

De acordo com Oliveira Filho, o fato de o sistema permanecer em um estado rotacional controlado e num ambiente praticamente livre de colisões faz com que a sensibilidade dos experimentos espectroscópicos, que identificam substâncias por meio da luz, seja bastante aumentada, permitindo-se trabalhar com um número bastante pequeno ou até mesmo realizar a identificação de uma única molécula”, ressalta. “Isso permite novas possibilidades para métodos analíticos onde a detecção de espécies presentes em pequenas quantidades é necessária, como no estudo de processos de combustão, química atmosférica e química forense, por exemplo.”

O trabalho teve também a participação dos pesquisadores Ivan O. Antonov, Patrick R. Stollenwerk, Sruthi Venkataramanababu e do professor Brian C. Odom, da Northwestern University (Estados Unidos), e na FFCLRP, de Ana P. de Lima Batista. “O grupo do professor Odom realizou a parte experimental, e nós, da FFCLRP, fizemos a parte computacional do trabalho”, conta o professor. “Tivemos a oportunidade de participar desse trabalho ao receber um convite de Odom para visitar seu grupo de pesquisa, no começo de 2019”. Todo o processo do experimento é descrito no artigo Precisely spun super rotors, publicado em 13 de abril no site Nature Communications. Com informações da USP

Tags:

átomos e moléculas, espectroscopia, frequências de luz

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