Uma equipa de investigação europeia desenvolveu um novo método espectroscópico que pode ser usado para observar processos dinâmicos ultra-rápidos de electrões e vibrações dentro de moléculas – com resolução atómica e em tempo real. Uma equipa da Universidade de Jena apoiou a equipa experimental de Barcelona na descrição teórica dos processos. Os pesquisadores demonstram sua “espectroscopia de nível central de attosegundos” usando o exemplo da molécula de furano e apresentam seu método na revista “Nature Photonics”.
As reações químicas são mecanismos complexos. Eles envolvem vários processos dinâmicos de elétrons e núcleos atômicos, que influenciam uns aos outros. Muitas vezes, a dinâmica eletrônica e nuclear fortemente acoplada leva a processos de relaxamento ultrarrápidos e sem radiação, conhecidos como interseções cônicas. Até agora, no entanto, tais processos, que são de elevada relevância química e biológica, têm sido muito difíceis de detectar experimentalmente. Isso ocorre porque os movimentos dos elétrons e dos núcleos atômicos são difíceis de distinguir uns dos outros e ocorrem em escalas de tempo ultrarrápidas, até a faixa do attossegundo – um bilionésimo de bilionésimo de segundo.
Numa publicação recente na revista “Nature Photonics”, a equipa de investigação experimental do Instituto de Ciências Fotónicas (ICFO) de Barcelona e a equipa teórica liderada pelo Dr. Karl Michael Ziems e Stefanie Gräfe da Universidade Friedrich Schiller Jena apresentaram agora uma ferramenta poderosa que pode capturar essa dinâmica molecular em tempo real. Os pesquisadores avaliaram seu método na dinâmica da molécula de furano na fase gasosa. Furano é uma molécula orgânica composta por carbono, hidrogênio e oxigênio, com os átomos dispostos em uma geometria pentagonal planar – um “anel químico”. Furano é um exemplo prototípico de compostos químicos em anel encontrados em vários produtos de uso diário, como combustíveis, produtos farmacêuticos e agroquímicos.
Como um anel químico se abre e como se fecha novamente
A equipe conseguiu resolver no tempo os detalhes da dinâmica de abertura do anel do furano, ou seja, a fissão da ligação entre um átomo de carbono e o átomo de oxigênio, que quebra a estrutura do anel. Para fazer isso, a molécula de furano foi primeiro excitada por um feixe de laser (o pulso da bomba). Com um pulso subsequente de attossegundos mais fraco (a sonda), os pesquisadores conseguiram observar as mudanças na molécula desencadeadas pela bomba.
Após a fotoexcitação inicial, as regiões de acoplamento esperadas entre diferentes estados (interseções cônicas) puderam ser localizadas no tempo, analisando as mudanças no espectro de absorção em função do atraso entre a bomba e a sonda. O aparecimento e desaparecimento de características de absorção fornecem assinaturas das mudanças no estado eletrônico do furano.
Os pesquisadores conseguiram assim mostrar pela primeira vez que uma superposição quântica é gerada entre diferentes estados eletrônicos – um pacote de ondas eletrônicas – que se manifesta na forma das chamadas batidas quânticas. A abertura real do anel através dos chamados estados escuros também poderia ser demonstrada com a configuração experimental. A transição da molécula de uma geometria de anel fechado para um anel aberto é refletida em um espectro de absorção alterado. Finalmente, a molécula retornou ao seu estado eletrônico fundamental, cuja transição também foi resolvida com precisão no tempo.
Nova ferramenta para análise de processos rápidos em moléculas
A equipe de autores enfatiza que a espectroscopia em nível central de attossegundos não se limita aos estudos desta molécula específica, mas é adequada como uma ferramenta para uma ampla gama de aplicações. Por exemplo, poderia ser usado para analisar dinâmicas complexas como aquelas que ocorrem na interação entre a radiação ultravioleta e o DNA. Os pesquisadores também veem a manipulação de processos de reações químicas como uma das aplicações mais promissoras para seu trabalho.
