Como se formam as ligações químicas: Observar o fluxo de energia em tempo real
A espetroscopia de femtossegundos torna visíveis os processos químicos
Um novo método combina gotículas de hélio com impulsos laser ultra-curtos para iniciar processos químicos de forma controlada. Este método permite compreender a transferência de energia e de carga durante a formação de ligações químicas.
Pela primeira vez, uma equipa de investigadores liderada por Markus Koch, do Instituto de Física Experimental da Universidade de Tecnologia de Graz (TU Graz), acompanhou em tempo real a forma como os átomos individuais se combinam para formar um aglomerado e quais os processos envolvidos. Para tal, os investigadores começaram por isolar átomos de magnésio utilizando hélio superfluido e, em seguida, utilizaram um impulso laser para desencadear o processo de formação. Os investigadores puderam observar esta formação de aglomerados e a transferência de energia envolvida entre átomos individuais com uma resolução temporal na ordem dos femtosegundos (1 femtosegundo = 1 quadrilionésimo de segundo). Publicaram recentemente os seus resultados na revista Communications Chemistry.
O "nano-refrigerador" coloca os átomos na posição inicial
"Normalmente, os átomos de magnésio formam instantaneamente ligações estreitas, o que significa que não existe uma configuração inicial definida para a observação dos processos de formação de ligações", explica Markus Koch. Os investigadores resolveram este problema, que surge frequentemente quando se observam processos químicos em tempo real, realizando experiências com gotículas de hélio superfluido. Estas gotículas actuam como "nano-fridges" ultra-frias que isolam os átomos individuais de magnésio uns dos outros a temperaturas extremamente baixas de 0,4 Kelvin (= -272,75 graus Celsius ou 0,4 graus Celsius acima do zero absoluto) a uma distância de um milionésimo de milímetro. "Esta configuração permitiu-nos iniciar a formação de aglomerados com um impulso laser e segui-lo com precisão em tempo real", explica Michael Stadlhofer, que realizou as experiências no âmbito da sua tese de doutoramento.
A espetroscopia de femtossegundos torna visíveis os processos químicos
Os investigadores observaram os processos desencadeados pelo impulso laser utilizando a espetroscopia de fotoelectrões e fotoiões. Enquanto os átomos de magnésio se combinavam para formar um aglomerado, eram ionizados com um segundo impulso de laser. Markus Koch e os seus colegas conseguiram reconstituir em pormenor os processos envolvidos, com base nos iões formados e nos electrões libertados.
Os átomos acumulam a sua energia
Uma descoberta fundamental é a acumulação de energia. Ao ligarem-se uns aos outros, vários átomos de magnésio transferem a energia de excitação recebida do primeiro impulso laser para um único átomo do aglomerado, de modo a que este atinja um estado de energia muito mais elevado. Esta é a primeira vez que o agrupamento de energia foi demonstrado com resolução temporal.
Investigação fundamental com potencial de aplicação
"Esperamos que esta separação atómica no interior de gotículas de hélio funcione também para uma classe mais vasta de elementos, tornando-se assim um método de aplicação geral na investigação fundamental", afirma Markus Koch. "Além disso, as descobertas sobre o agrupamento de energia podem ser relevantes para os processos de transferência de energia em várias áreas de aplicação, por exemplo, na fotomedicina ou na utilização da energia solar."
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