“Por dentro da ciência” do Instituto Americano de Física (10/10/08)

Inside Science News Service

10 de outubro de 2008
Cientistas Criam Moléculas Ultra-Frias
Aprendendo mais acerca das moléculas, pondo-as em armazenagem profunda
Por Phillip F. Schewe
Inside Science News Service

Os cientistas conseguiram, pela primeira vez, um tipo de “química artificial”, mantendo juntos com sucesso átomos em temperaturas extremamente baixas, por um período de tempo recorde. Anteriormente, as tentativas de manter os átomos juntos só tinha resultado em moléculas de curta vida e fracamente ligadas. Essas são boas notícias para os cientistas que esperam obter um maior controle sobre as reações químicas básicas e para os que querem construir um novo tipo de computador, um baseado no misterioso comportamento quântico.

O que é melhor, as moléculas ultra-frias foram produzidas em dois diferentes laboratórios, um no consórcio JILA do National Institute of Standards and Technology (NIST) e da Universidade do Colorado em  Boulder, e outra na Universidade de Innsbruck na Áustria. Os resultados do NIST foram publicados em uma edição recente da revista Science, enquanto que os resultados de Innsbruck apareceram na Physical Review Letters.

Os átomos são os constituintes básicos da matéria comum, porém em nosso dia-a-dia a maior parte das coisas — plásticos, água, ar, até nossos corpos — são feitos de moléculas, combinações de dois ou mais átomos, de forma que é importante estudá-las também. Para realizar os estudos, os físicos prendem as partículas em um recipiente muito pequeno e as resfriam até temperaturas muito baixas. Isso é relativamente fácil de fazer com átomos, mas difícil de fazer com moléculas. Isto porque as moléculas, que têm várias partes constituintes, se retorcem em combinações complexas de rotação e vibração. Elas também podem se romper e são difíceis de serem isoladas, uma de cada vez.

As experiências mostraram que as moléculas, cada uma composta por dois átomos, se mantém unidas por mais tempo do que nas experiências anteriores e com uma densidade maior, o que permite que elas sejam estudadas mais detalhadamente. Nas experiências anteriores também se conseguia moléculas frias, porém o processo só produzia moléculas fracamente unidas que rapidamente se rompiam. Além disso, a nova pesquisa converte átomos em moléculas de maneira mais eficiente, com até 90% de sucesso.

Os cientistas recorrem a moléculas ultra-frias e ultra-lentas porque uma molécula em repouso provavelmente vai se comportar mais de acordo com as regras quânticas usadas nos atuais produtos eletrônicos mais rápidos. O truque aqui é primeiro esfriar átomos isolados e então convertê-los em moléculas igualmente frias, juntando os átomos com o emprego conjunto de pulsos de laser e forças magnéticas. As moléculas são tão frias que ficam praticamente em repouso, um estado onde não apresentam vibração, nem rotação.

Medições realizadas em uma molécula em repouso saem mais nítidas do que as feitas em uma molécula se retorcendo. A temperatura usada foi de uns poucos bilionésimos de grau acima do zero absoluto (a menor temperatura possível) ou cerca de -273ºC. Isso está na faixa das temperaturas mais baixas encontradas no Sistema Solar. Até o espaço entre os planetas é mais quente do que o dispositivo-armadilha desses laboratórios.

Na experiência de Innsbruck, os átomos a serem resfriados não são deixados ao léu, como em um gás; ao contrário, são fixados em localizações pré-definidas como em um tabuleiro de xadrez microscópico tridimensional. Esse confinamento especial, realizado com feixes de laser que gentilmente impedem que os átomos se mexam, cria uma arranjo de átomos que flutuam no meio do ar, um tipo de material diluído artificial chamado de grade óptica. Na verdade, os feixes de laser entrecruzados são dispostos de tal maneira que dois átomos (do elemento rubídio) ficam em cada “casa” do “tabuleiro de xadrez”. Uma outra forma de visualizar a disposição espacial dos átomos é pensar neles como alojados nos receptáculos de uma bandeja de ovos. Então, aplicando-se campos magnéticos adicionais, o par de átomos leva um empurrão para se tornar uma molécula.

O físico de Innsbruck Johannes Denschlag gosta de pensar em cada ponto da grade como um “nano-tubo-de-ensaio”, uma zona minúscula menor do que um milionésimo de metro (um micrômetro) de dimensões, onde as reações químicas podem acontecer com poucos átomos de cada vez.  Não só isso, como também a reação pode ser completamente controlada e a força da interação pode ser ajustada. Na experiência de Innsbruck as moléculas se comportaram como minúsculos magnetos. E isso dá aos pesquisadores um outro processo (com o uso de pequenos magnetos nas proximidades) para controlar a química ao nível de átomos.

As moléculas usadas na experiência de Boulder eram feitas de um átomo de potássio, unido a um átomo de rubídio. Muito embora essa molécula seja, no total, eletricamente neutra, uma pequena carga negativa tende a se acumular em uma extremidade da molécula, enquanto se forma uma pequena carga positiva na outra. Esse arranjo é conhecido como um dipolo elétrico. Os exemplos comuns de tais moléculas “polares” incluem a água, feita de dois átomos de hidrogênio e um de oxigênio. Moléculas polares, que têm sua diminuta separação de cargas, podem ser controladas por pequenos eletrodos nas proximidades. Por isso, as moléculas polares aparecem em componentes tais como mostradores de relógios de pulso e televisores.

Na experiência de Boulder, as moléculas ultra-frias foram produzidas no mais baixo e mais estável dos possíveis estados de energia. Neste estado, as moléculas ficam enclausuradas em alta densidade. Como as moléculas são polares, os cientistas podem controlá-las com eletrodos e, talvez, até codificar informações nas moléculas. E, uma vez que as moléculas estão tão próximas entre si, uma meta importante será a realização de atividades de micro-processamento, deixando que as moléculas interajam entre si de maneira controlável. Isso, por sua vez, ajudaria a tornar possível um computador quântico na escala nanoscópica, capaz de realizar certos cálculos, tais como buscas em grandes bases de dados ou na fatoração de grandes números, muito mais rápido do que os computadores digitais convencionais.

Um dos cientistas de Boulder, Jun Ye, diz que o controle, sem precedentes, sobre as moléculas pode também permitir o desenvolvimento de controles de tempo melhores do que os atuais relógios atômicos. Neste mesmo ano Ye já tinha participado da fabricação do relógio mais preciso jamais produzido.

Este texto é fornecido para a media pelo Inside Science News Service, que é apoiado pelo Instituto Americano de Física (American Institute of Physics), uma editora sem fins lucrativos de periódicos de ciência. Contatos: Jim Dawson, editor de notícias, em [email protected].

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