A luz laser controla as estruturas moleculares
Uma nova ferramenta para estudar reações químicas
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Investigadores dos Departamentos de Física Molecular e Química Física do Instituto Fritz Haber demonstraram como dois feixes de laser infravermelho (IV) altamente sincronizados podem controlar as moléculas à medida que estas alternam entre diferentes conformações estruturais. A sua técnica abre uma nova perspetiva sobre a forma como as moléculas se reorganizam durante as reações químicas, proporcionando conhecimentos fundamentais sobre os processos microscópicos que regem a química.
Uma nova ferramenta para estudar reações químicas
As reações químicas são a base de todos os processos que sustentam a vida. Investigadores de todo o mundo estão a trabalhar no desenvolvimento de descrições físicas precisas destes processos, a fim de melhor os compreender, prever ou controlar de forma específica.
Nas reações químicas, as moléculas sofrem várias transformações estruturais, alterando as suas formas tridimensionais entre diferentes conformações. Estas alterações podem ser visualizadas como movimentos ao longo de um panorama energético, onde a forma do terreno determina a rapidez com que uma reação decorre. À semelhança de uma bola a rolar por uma paisagem montanhosa, uma molécula tem de ultrapassar barreiras energéticas — as «montanhas» — para se estabelecer num novo estado estável no «vale» seguinte.
Num estudo anterior sobre um complexo de fosfato-formiato ligado a um protão, a equipa de investigação observou a ausência invulgar de características espectrais, sugerindo que a alteração estrutural é desencadeada pela irradiação a laser — um processo conhecido como isomerização induzida por infravermelhos. Para estudar este processo fascinante com maior detalhe, desenvolveram uma nova abordagem experimental que requer dois lasers de infravermelho sincronizados. O novo funcionamento bicolor do IR-FEL de oscilador duplo, recentemente construído no Instituto Fritz-Haber, tornou agora possíveis tais experiências, abrindo assim novos caminhos para estudar e controlar moléculas.
Identificação molecular seletiva e eficiente
A equipa de investigação aprisionou os iões moleculares no interior de gotículas de hélio líquido superfluido — a apenas uma fração de grau acima do zero absoluto — para arrefecer rapidamente as moléculas, permitindo-lhes ao mesmo tempo absorver luz laser durante um período invulgarmente longo. À medida que as moléculas absorvem luz, o hélio circundante evapora-se gradualmente e, após múltiplos eventos de absorção, esta evaporação produz um sinal detetável.
No entanto, se a molécula se reorganizar numa estrutura diferente antes de ocorrer absorção suficiente, o sinal perde-se. Para resolver esta questão, a equipa utilizou dois feixes de laser de elétrons livres no infravermelho, sintonizáveis de forma independente, para controlar totalmente as populações das duas conformações moleculares. Um laser pode levar a molécula a reorganizar-se numa conformação diferente, enquanto o segundo repopula seletivamente a estrutura original, permitindo a absorção contínua.
O longo tempo de excitação no infravermelho (até 10 µs) e o arrefecimento rápido proporcionado pelo ambiente de hélio permitiram a conversão completa entre os isómeros, tornando possível medir os isómeros seletivamente — produzindo assim uma «impressão digital» molecular que permaneceria oculta em medições com um único laser.
Esta técnica proporciona uma nova e poderosa forma de controlar a estrutura molecular e compreender melhor os rearranjos moleculares, abrindo novas oportunidades para estudar a dinâmica que rege a química ao nível mais fundamental.
Operação bicolor do FHI-FEL
Os lasers de elétrons livres no infravermelho (IR-FELs) revelaram-se ferramentas ideais para diferentes variantes da espectroscopia. Permitem o acesso a comprimentos de onda longos (λ ≥ 15 µm), o que continua a ser limitado com fontes comerciais. Além disso, os IR-FELs fornecem um número muito elevado de fotões durante um período de tempo prolongado. Isto pode ser aproveitado para depositar grandes quantidades de energia nas amostras.
Desde 2013 que o Laser de Eletrões Livres do FHI (FHI-FEL) fornece radiação intensa e pulsada no infravermelho médio, continuamente sintonizável no comprimento de onda de 2,8 a 50 µm. Recentemente, a máquina foi atualizada para incluir um segundo ramo de FEL concebido para gerar radiação no infravermelho distante com comprimentos de onda até 165 µm.
A estrutura temporal da luz de um FEL é determinada pela estrutura temporal do feixe de eletrões a partir do qual a luz é gerada. Para alcançar o funcionamento do IR-FEL de duas cores, o feixe de eletrões do FHI-FEL é dividido em dois feixes de eletrões que são acoplados a duas cavidades óticas separadas com onduladores sintonizáveis de forma independente. Desta forma, é garantida a sincronização perfeita dos dois feixes de eletrões. Isto resulta em dois FEL de infravermelho sintonizáveis de forma independente, uma configuração única a nível mundial.
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.
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