Cientistas fazem mapa dos elétrons de uma única molécula

O mapa mostra a distribuição de cargas em uma única molécula de naftalocianina.



Mapa de distribuição de cargas

Pesquisadores da IBM conseguiram captar pela primeira vez imagens da distribuição das cargas elétricas em uma única molécula - essencialmente um mapa dos elétrons da molécula.
As imagens revelam detalhes de uma complexa "dança" de elétrons, mostrando a distribuição de energia entre os segmentos da molécula.
Os cientistas já haviam medido a carga elétrica e até o spin de um átomo individual, embora o que mais tenha sido comemorado tenha sido a foto de átomo neutro.
Mas a coisa é mais complicada quando se lida com moléculas, conforme a mesma equipe já havia demonstrado em 2009, quando fez a primeira "fotografia" de uma molécula individual.

Microscópio de sonda Kelvin


Fabian Mohn e seus colegas combinaram vários tipos de microscópios eletrônicos, mas demonstraram a utilidade especial de um tipo menos conhecido deles, chamado microscópio de força por sonda Kelvin (KPFM: Kelvin probe force microscopy).
Trata-se de uma variação do microscópio de força atômica, mas que não faz contato físico com a amostra que está sendo analisada.
Um braço oscilante, ou cantiléver, com uma ponta formada por uma única molécula passa sobre a amostra, que é eletricamente condutora. A diferença de potencial entre a ponta e a amostra gera um campo elétrico que pode ser medido.Assim, o microscópio não mede a carga elétrica da molécula diretamente, mas o campo elétrico gerado por essa carga. O campo é mais forte nas áreas da molécula que estão carregadas.
Áreas com cargas opostas produzem um contraste diferente porque a direção do campo elétrico se inverte - é essa diferença que gera as áreas mais claras ou mais escuras da imagem.
O material analisado na verdade era uma única molécula de naftalocianina - o sistema experimental todo inclui, além da molécula observada, uma finíssima camada isolante de sal de cozinha (NaCl), que as separa do substrato de ouro.
"Nós mostramos que a microscopia de força por sonda Kelvin pode mapear a diferença de potencial desse sistema com resolução submolecular, e nós usamos cálculos teóricos de densidade funcional para verificar que esses mapas refletem a distribuição intramolecular das cargas," afirmam os cientistas.

O microscópio eletrônico não mede a carga elétrica da molécula diretamente, mas o campo elétrico gerado por essa carga. O campo é mais forte nas áreas da molécula que estão carregadas.



Chave molecular

A naftalocianina é uma molécula que, por ficar saltando de um estado para outro sob a ação de uma carga elétrica, já está sendo estudada para o desenvolvimento de um transístor molecular.
O que os cientistas observaram foi esse "chaveamento" da molécula, em que um elétron salta de um dos seus braços para o outro, alterando a distribuição de carga da naftalocianina.
Embora seja uma pesquisa básica, a expectativa é que a melhoria das técnicas de observação de materiais em escala molecular e atômica permita o melhor entendimento de mecanismos envolvidos, por exemplo, com o desenvolvimento de melhores catalisadores e da fotossíntese artificial.
"Esta técnica poderá ajudar a fornecer insights fundamentais sobre o chaveamento de moléculas individuais e a formação de ligações [químicas], processos que normalmente são acompanhados da redistribuição de cargas no interior das moléculas ou entre moléculas," conclui o grupo.