Quando as moléculas «percebem» o que as suas vizinhas estão a fazer
Novo método espectroscópico revela o ambiente dos complexos de ferro com propriedades comutáveis
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Investigadores da Universidade Friedrich Schiller de Jena e do Centro Helmholtz de Berlim (HZB) conseguiram, pela primeira vez, observar diretamente como o ambiente em torno de um interruptor molecular influencia a sua estrutura eletrónica. Os interruptores moleculares são moléculas que podem alternar entre dois estados sob influências externas, tais como variações de temperatura — à semelhança de um interruptor com as posições «Ligado» e «Desligado». Estas moléculas estão a ser estudadas como potenciais componentes para futuros dispositivos de armazenamento de dados ou materiais para sensores. Utilizando espectroscopia de terahertz dependente do campo magnético, os investigadores conseguiram agora, pela primeira vez, distinguir se as moléculas vizinhas num material se encontram no mesmo estado ou em estados diferentes. Os resultados foram publicados na revista «Angewandte Chemie International Edition».
Quando as moléculas «percebem» o que as suas vizinhas estão a fazer
Nos compostos de ferro estudados, as moléculas podem alternar entre dois estados eletrónicos. Ao fazê-lo, os eletrões em torno do ião de ferro organizam-se de forma diferente: no chamado estado de alto spin, existem eletrões desemparelhados — o que torna a molécula magnética. No estado de baixo spin, pelo contrário, os eletrões estão emparelhados; este estado é não magnético.
«Se quisermos utilizar interruptores moleculares de forma direcionada, precisamos de saber quantas moléculas têm de “comunicar” entre si para produzir um comportamento de comutação específico», afirma a Prof.ª Dr.ª Birgit Weber, do Instituto de Química Inorgânica e Analítica da Universidade de Jena. «Com o novo método, podemos, por assim dizer, ver o que as moléculas vizinhas estão a fazer.»
Até agora, era possível determinar que proporção das moléculas se encontrava em cada estado. Era mais difícil descobrir como esses estados se distribuíam no interior do material: será que as moléculas comutam de forma praticamente independente umas das outras, ou será que grupos maiores alteram o seu estado em conjunto? É precisamente esta informação que é importante para compreender as propriedades do material como um todo.
Uma «impressão digital» do ambiente molecular
Para o seu estudo, os investigadores analisaram dois compostos de ferro(II) cujos estados de transição podem ser influenciados pela velocidade de arrefecimento. Durante um arrefecimento rápido, um estado presente a temperaturas mais elevadas pode ser «congelado». O arrefecimento lento, por outro lado, dá origem a estados diferentes ou mistos. Isto permitiu aos investigadores comparar como uma molécula se comporta quando o seu ambiente muda.
A espectroscopia THz-EPR revela alterações muito pequenas na estrutura eletrónica. «A estrutura eletrónica apresenta, por assim dizer, uma “impressão digital” do seu ambiente», afirma o Prof. Dr. Winfried Plass, do Instituto de Química Inorgânica e Analítica da Universidade de Jena. «Quando as moléculas vizinhas alteram o seu estado, esta “impressão digital” também se altera — e é precisamente isso que conseguimos medir.»
No caso de um dos compostos, já se sabia, com base em estudos anteriores, que os estados magnéticos e não magnéticos se alternam regularmente a baixas temperaturas. As alterações agora medidas estavam em consonância com este padrão conhecido e foram confirmadas por cálculos de química quântica.
Quantas moléculas são necessárias para um estado estável?
Este método pode agora ser utilizado para investigar se as moléculas mudam individualmente ou formam áreas maiores, conhecidas como domínios, nas quais muitas moléculas alteram o seu estado em conjunto. Isto também é relevante para potenciais aplicações: se se pretender utilizar dois estados estáveis, «0» e «1», a menor unidade de armazenamento possível depende do número de moléculas que têm de interagir para o conseguir.
«Se, para tal, for sempre necessário que centenas ou milhares de moléculas mudem de estado em simultâneo, isso impõe um limite ao tamanho mínimo que esses sistemas podem atingir», afirma Weber. «Se, por outro lado, mesmo um número muito reduzido ou até moléculas individuais puderem ser colocadas de forma independente num estado estável, seria possível conceber densidades de armazenamento significativamente mais elevadas.»
Confirmação independente no BESSY II
Segundo os investigadores, esta é a primeira aplicação da espectroscopia EPR magnética de THz a estes compostos de ferro comutáveis. As instalações de medição do BESSY II, no Centro Helmholtz de Berlim, desempenharam um papel central. Aí, as medições de terahertz podem ser combinadas com campos magnéticos fortes e temperaturas muito baixas. As deslocações de energia decisivas envolvidas são excepcionalmente pequenas. O facto de estas se originarem efetivamente do material e não serem um artefacto de medição foi comprovado por medições utilizando radiação de síncrotron, que reproduziram de forma independente as observações em amostras distintas. O seu elevado brilho permite também o acesso a sistemas com sinais mais fracos e a transições com energias ainda mais baixas.
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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