A compreensão da estrutura dos átomos é fundamental para o entendimento da matéria em seu nível mais fundamental.
Apesar de não possuir ossos, toda a matéria “normal” do Universo utiliza os átomos como blocos de construção — inclusive nossos próprios ossos humanos.
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Por isso, os cientistas têm buscado constantemente desenvolver técnicas avançadas para investigar a estrutura dos átomos e entender como eles se organizam.
Atualmente, uma das técnicas mais utilizadas nesse campo é o uso de raios-X de alta energia.
Essa técnica permite a análise dos átomos e moléculas, bem como a reconstrução de suas configurações em forma cristalina por meio da captura de feixes difratados.
Recentemente, um estudo liderado pelo físico Tolulope Ajayi da Universidade de Ohio e do Laboratório Nacional Argonne, nos Estados Unidos, conseguiu utilizar raios-X para observar as propriedades de um único átomo (AJAYI, 2023).
Imagem: AJAYI, 2023.
Essa descoberta demonstra que essa técnica pode ser empregada para compreender a matéria em seu nível mais básico.
Os raios-X são considerados uma ferramenta adequada para a caracterização de materiais em nível atômico devido à distribuição de seus comprimentos de onda, que é comparável ao tamanho de um átomo.
Além disso, existem diversas técnicas disponíveis para direcionar os raios-X para o objeto de estudo e observar sua estrutura em escalas extremamente reduzidas.
Uma dessas técnicas é a utilização de raios-X de sincrotron, nos quais elétrons são acelerados em uma trajetória circular até emitirem luz de alta energia.
Essa técnica permite a análise de estruturas em escalas muito finas.
No estudo realizado por Ajayi e sua equipe, foi utilizada uma técnica que combina raios-X de sincrotron com a microscopia de tunelamento com varredura.
Imagem: Universidade de Ohio.
Essa técnica de microscopia permite a obtenção de imagens em escala atômica por meio da interação de uma sonda calibrada com os elétrons do material em estudo, em um fenômeno conhecido como tunelamento quântico.
Posicionando a sonda a distâncias muito próximas, da ordem de meio nanômetro, a posição precisa do elétron se torna incerta, o que resulta em uma difusão do elétron no espaço entre o material e a sonda.
Através da medição da corrente resultante desse processo, é possível obter informações sobre o estado do átomo em estudo.
A combinação dessas duas técnicas é chamada de microscopia de varredura por tunelamento de raios-X de sincrotron (SX-STM) e permite que os cientistas amplifiquem os raios-X e coletem os fotoelétrons resultantes.
Essa técnica tem demonstrado resultados promissores, como a capacidade de rotacionar uma única molécula.
No estudo mais recente, a equipe buscou medir as propriedades de um único átomo de ferro.
Para isso, eles criaram montagens supramoleculares contendo íons de ferro e térbio, ligados a um anel de átomos chamado de ligante.
Os resultados obtidos mostraram que as linhas mais escuras no espectro de raios-X recebido estão relacionadas às frequências absorvidas pelos átomos de ferro e térbio.
Além disso, os espectros de absorção permitiram determinar os estados químicos desses átomos.
Um fato interessante observado no estudo foi que o sinal de raios-X só pôde ser detectado quando a ponta da sonda estava posicionada exatamente acima do átomo de ferro em sua estrutura supramolecular, em uma posição extremamente próxima.
Esse resultado confirma a detecção no regime de tunelamento, o que tem implicações importantes para o estudo da mecânica quântica.
Essa descoberta representa um avanço significativo na caracterização de átomos individuais por meio de raios-X, possibilitando a compreensão das propriedades elementares e químicas da matéria em seu nível mais fundamental.
Essa técnica abre novas possibilidades para estudos futuros e promete contribuir para avanços na compreensão da física quântica e das propriedades dos materiais em escala atômica.
Referências
AJAYI, Tolulope et al. Characterization of just one atom using synchrotron X-rays. Nature, 2023. Disponível em: <link>. Acesso em: 1 de jun 2023.
Cite-nos
SANTOS, Fábio. Primeiro raio-X do mundo de um único átomo é obtido. Ciência Mundo, jun 2023. Disponível em: . Acesso em: 05 maio 2024.
Graduado em Sistemas de Informação pela FEUC-RJ e mestre em Representação de Conhecimento e Raciocínio pela UNIRIO. Fábio é editor e fundador do portal Ciência Mundo. É dedicado à produção de conteúdos relacionados a astronomia, física, arqueologia e inteligência artificial.
