A molécula de ácido fórmico treme na terceira dimensão
O tremor quântico: porque é que não existem moléculas verdadeiramente planas
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O ácido fórmico é considerado uma molécula em que todos os átomos se encontram num único plano. Uma equipa de investigação da Universidade Goethe, em conjunto com parceiros de cooperação, demonstrou agora experimentalmente que os átomos do ácido fórmico se deslocam continuamente deste plano a uma escala mínima. Como resultado, a molécula não é plana na maior parte do tempo, mas tridimensional, perdendo assim a sua simetria. O tremor dos átomos é um efeito da física quântica, segundo a qual as partículas nunca estão em repouso.
Como as mãos direita e esquerda: A vibração mecânica quântica do ponto zero - o "tremor" dos átomos - faz do ácido fórmico uma molécula quiral cujas duas formas, como a mão direita e a esquerda, não podem ser sobrepostas.
© Institut für Kernphysik, Goethe-Universität Frankfurt
Os manuais tradicionais de química apresentam um quadro bem definido: Os átomos das moléculas ocupam posições fixas, ligados por hastes rígidas. Uma molécula como o ácido fórmico (ácido metanóico, HCOOH) é imaginada como bidimensional - plana como uma folha de papel. Mas a física quântica conta uma história diferente. Na realidade, a natureza resiste à rigidez e força até mesmo as estruturas mais simples para a terceira dimensão.
Os investigadores liderados pelo Professor Reinhard Dörner, do Instituto de Física Nuclear da Universidade Goethe, determinaram agora a estrutura espacial exacta da molécula "plana" de ácido fórmico, utilizando um feixe de raios X da fonte de radiação sincrotrónica PETRA III, no centro de aceleração DESY, em Hamburgo. Colaboraram com colegas das universidades de Kassel, Marburg e Nevada, do Instituto Fritz Haber e do Instituto Max Planck de Física Nuclear.
Para isso, utilizaram dois efeitos que ocorrem quando a radiação de raios X atinge uma molécula. Em primeiro lugar, a radiação ejecta vários electrões da molécula (efeito fotoelétrico e efeito Auger). Como resultado, os átomos ficam tão carregados que a molécula se desintegra numa explosão (explosão de Coulomb). Os cientistas conseguiram medir estes processos sequencialmente, apesar de ocorrerem em femtossegundos - milionésimos de bilionésimo de segundo.
Para o efeito, utilizaram um aparelho inventado na Universidade de Goethe e continuamente aperfeiçoado desde então: O microscópio de reação COLTRIMS. Com base nos dados das medições, puderam calcular a geometria original da molécula de ácido fórmico. O resultado: Os dois átomos de hidrogénio do ácido fórmico oscilam ligeiramente para a frente e para trás, o que significa que a molécula não é plana.
Reinhard Dörner explica: "No mundo quântico, os núcleos atómicos não são pequenas esferas que permanecem fixas no seu lugar. São mais como nuvens que vibram. Mesmo que arrefeçamos uma molécula até ao zero absoluto, este tremor - o chamado movimento do ponto zero - nunca pára".
A consequência é radical: Um núcleo atómico não tem uma localização exacta, apenas uma probabilidade de ser encontrado num determinado local. De certa forma, está "um pouco por todo o lado". Por conseguinte, uma molécula de ácido fórmico é efetivamente tridimensional em quase todos os momentos.
Dörner acrescenta: "Através deste pequeno passo para a terceira dimensão, a molécula perde a sua simetria e deixa de poder ser sobreposta à sua imagem no espelho - tal como a nossa mão esquerda e direita. O ácido fórmico é quiral - tem uma forma canhota em metade das vezes e uma forma destra na outra metade".
Em química, duas dessas formas quirais - os chamados enantiómeros - podem ter efeitos completamente diferentes: Enquanto uma forma de uma molécula pode atuar como um medicamento, a sua imagem no espelho pode ser ineficaz. Normalmente, esta mão de obra resulta da estrutura fixa de uma molécula.
Dörner conclui: "Como pudemos demonstrar com o exemplo do ácido fórmico, o tremor quântico pode, por si só, gerar duas realidades diferentes em espelho a partir de uma molécula simétrica. Isto significa que a lateralidade - uma propriedade importante da vida - não resulta aqui do projeto estático da molécula, mas apenas do tremor incessante no mundo quântico. Em termos mais gerais, as nossas descobertas com o ácido fórmico mostram que a geometria não é uma propriedade estática, mas um acontecimento dinâmico, e que uma molécula plana é, na realidade, apenas o valor médio dos seus átomos que tremem em todas as direcções."
Observação: Este artigo foi traduzido usando um sistema de computador sem intervenção humana. A LUMITOS oferece essas traduções automáticas para apresentar uma gama mais ampla de notícias atuais. Como este artigo foi traduzido com tradução automática, é possível que contenha erros de vocabulário, sintaxe ou gramática. O artigo original em Inglês pode ser encontrado aqui.
Publicação original
D. Tsitsonis, M. Kircher, N. M. Novikovskiy, F. Trinter, J. B. Williams, K. Fehre, L. Kaiser, S. Eckart, O. Kreuz, A. Senftleben, Ph. V. Demekhin, R. Berger, T. Jahnke, M. S. Schöffler, R. Dörner; "Probing Instantaneous Single-Molecule Chirality in the Planar Ground State of Formic Acid"; Physical Review Letters, Volume 136, 2026-1-30
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