Físicos manipulam e controlam moléculas individuais

Uma nova técnica abrirá possibilidades de investigação nos campos da nanociência e da nanofísica.

Físicos da Universidade de Bath descobriram como manipular e controlar moléculas individuais por um milionésimo de bilionésimo de segundo, depois de ficarem intrigados com alguns resultados aparentemente estranhos.

A sua nova técnica é a forma mais sensível de controlar uma reação química em algumas das menores escalas que os cientistas podem trabalhar – ao nível de uma única molécula.

Um experimento no limite extremo da nanociência chamado “manipulação molecular STM (microscópio de varredura por tunelamento)” é frequentemente usado para observar como moléculas individuais reagem quando excitadas pela adição de um único elétron. Um químico tradicional pode usar um tubo de ensaio e um bico de Bunsen para conduzir uma reação; aqui eles usaram um microscópio e sua corrente elétrica para conduzir a reação. A corrente é tão pequena que se assemelha mais a uma série de elétrons individuais atingindo a molécula alvo. Mas todo este experimento é um processo passivo – uma vez que o elétron é adicionado à molécula, os pesquisadores apenas observam o que acontece.

Mas quando a Dra. Kristina Rusimova revisou seus dados do laboratório durante as férias, ela descobriu alguns resultados anômalos em um experimento padrão, que após uma investigação mais aprofundada não poderia ser explicado. Quando a corrente elétrica aumenta, as reações sempre são mais rápidas, só que aqui isso não aconteceu.

Rusimova e colegas passaram meses pensando em possíveis explicações para desmascarar o efeito e repetindo os experimentos, mas finalmente perceberam que haviam encontrado uma maneira de controlar experimentos de molécula única em um grau sem precedentes, em uma nova pesquisa publicada na Science.

A equipe descobriu que, mantendo a ponta do microscópio extremamente próxima da molécula que está sendo estudada, dentro de 600-800 trilionésimos de metro, a duração do tempo que o elétron adere à molécula alvo pode ser reduzida em mais de duas ordens de grandeza. e assim a reação resultante, aqui fazendo com que moléculas individuais de tolueno se desprendam (dessorvam) de uma superfície de silício, pode ser controlada.

A equipe acredita que isso ocorre porque a ponta e a molécula interagem para criar um novo estado quântico, que oferece um novo canal para o elétron saltar da molécula, reduzindo assim o tempo que o elétron passa na molécula e, assim, reduzindo as chances de isso acontecer. elétron causando uma reação.

Na sua forma mais sensível, isso significa que o tempo da reação pode ser controlado em seu limite natural de 10 femtossegundos, até apenas 0,1 femtossegundos.

Rusimova disse: “Estes eram dados de um experimento totalmente padrão que estávamos fazendo porque pensamos que tínhamos esgotado todas as coisas interessantes – esta foi apenas uma verificação final. Mas meus dados pareciam “errados” – todos os gráficos deveriam subir e os meus descer.

Peter Sloan, principal autor do estudo, acrescentou: “Se isso estivesse correto, tivemos um efeito completamente novo, mas sabíamos que se íamos reivindicar algo tão impressionante, precisávamos fazer algum trabalho para ter certeza de que era real e não se resume a falsos positivos.” “Sempre achei que nosso microscópio é um pouco parecido com o Millennium Falcon, não muito elegante, mantido unido pelas pessoas que o operam, mas absolutamente fantástico no que faz. Entre Kristina e Ph.D. estudante Rebecca Purkiss, o nível de controle espacial que eles tinham sobre o microscópio foi a chave para desbloquear essa nova física.”

Dr. Sloan acrescentou: “O objetivo fundamental deste trabalho é desenvolver as ferramentas que nos permitam controlar a matéria neste limite extremo. Seja quebrando ligações químicas que a natureza realmente não quer que você quebre, ou produzindo arquiteturas moleculares que são termodinamicamente proibidas. Nosso trabalho oferece uma nova rota para controlar moléculas individuais e suas reações. Essencialmente, temos um novo mostrador que podemos definir ao executar nosso experimento. A natureza extrema de trabalhar nessas escalas torna isso difícil, mas temos resolução e reprodutibilidade extremas com esta técnica.”

A equipe espera que sua nova técnica abra as portas para muitos novos experimentos e descobertas no nanoescalagraças às opções que oferece pela primeira vez.

Referência: “Regulando o tempo de vida do estado excitado de femtosegundo de uma única molécula” por KR Rusimova, RM Purkiss, R. Howes, F. Lee, S. Crampin, PA Sloan, 7 de setembro de 2018, Ciência.
DOI: 10.1126/science.aat9688