Físicos dão um passo mais perto de controlar reações químicas de molécula única

O controlo da matéria a nível atómico deu um grande passo em frente, graças à investigação em nanotecnologia levada a cabo por uma equipa internacional de cientistas liderada por físicos da Universidade de Tub.

Este avanço tem implicações profundas para a compreensão científica basic. É também provável que tenha aplicações práticas importantes, como a transformação da forma como os investigadores desenvolvem novos medicamentos.

O controle de reações monomoleculares de resultado único é agora quase rotina em laboratórios de pesquisa em todo o mundo. Por exemplo, há mais de uma década, investigadores da gigante tecnológica IBM demonstraram a sua capacidade de manipular átomos individuais ao criar “Um rapaz e o seu átomo”, o mais pequeno filme do mundo. No filme, moléculas únicasconsistindo de dois átomos ligados entre si, foram ampliados 100 milhões de vezes e posicionados quadro a quadro para contar uma história em stop-motion em escala atômica.

Alcançar o controle sobre reações químicas com múltiplos resultados, no entanto, permaneceu indefinido. Isto é importante porque geralmente apenas alguns resultados de uma reação química são úteis.

Por exemplo, durante a síntese de medicamentos, um processo químico que resulta na “ciclização” produz o composto terapêutico desejado enquanto a “polimerização”, outro resultado, leva a subprodutos indesejados.

Ser capaz de controlar com precisão as reações para favorecer os resultados desejados e reduzir subprodutos indesejados promete melhorar a eficiência e a sustentabilidade dos processos farmacêuticos.

Microscopia de varredura por tunelamento

O novo estudo, publicado 28 de novembro na revista Comunicações da Naturezademonstra pela primeira vez que resultados de reações químicas concorrentes podem ser influenciados pelo uso da resolução atômica de um microscópio de tunelamento de varredura (STM).

Os microscópios convencionais usam luz e lentes para ampliar as amostras, permitindo-nos visualizá-las a olho nu ou com uma câmera. No entanto, quando se trata de átomos e moléculas, que são menores até mesmo do que os comprimentos de onda mais curtos da luz visível, os métodos tradicionais são insuficientes.

Para explorar esses pequenos reinos, os cientistas recorrem a um microscópio de varredura por tunelamento, que funciona como um toca-discos.

Com uma ponta que pode ser tão fina quanto um único átomo, os microscópios de varredura por tunelamento se movem pela superfície de um materials, medindo propriedades como a corrente elétrica para mapear cada ponto. No entanto, em vez de pressionar a ponta na superfície como a agulha de um toca-discos, a ponta paira apenas um pouco. átomo únicoé a largura acima dele.

Quando conectado a um fonte de energiaos elétrons viajam pela ponta e dão um salto quântico através da lacuna do tamanho de um átomo. Quanto mais próxima a ponta estiver da superfície, mais forte será a corrente; quanto mais longe estiver, mais fraca será a corrente.

Esta relação bem definida entre a distância da ponta e a corrente permite ao microscópio medir e mapear a superfície do átomo ou molécula com base na intensidade da corrente elétrica. À medida que a ponta percorre a superfície, ela cria uma imagem precisa linha por linha da superfície, revelando detalhes invisíveis aos microscópios ópticos convencionais.

Reações de molécula única

Usando a precisão atômica de um microscópio de tunelamento de varredura, os cientistas podem ir além do mapeamento da superfície de uma molécula – eles podem reposicionar átomos e moléculas individuais e influenciar e medir a probabilidade de caminhos de reação específicos em moléculas individuais.

Explicando, a Dra. Kristina Rusimova, que liderou o estudo do Departamento de Física, disse: “Normalmente, a tecnologia STM é empregada para reposicionar átomos e moléculas individuais, permitindo interações químicas direcionadas, mas a capacidade de direcionar reações com resultados concorrentes permaneceu um desafio Esses resultados diferentes acontecem com certas probabilidades governadas pela mecânica quântica – mais ou menos como lançar um dado molecular.

“Nossa pesquisa mais recente demonstra que o STM pode controlar a probabilidade dos resultados da reação manipulando seletivamente os estados de carga e ressonâncias específicas por meio da injeção de energia direcionada.”

Peter Sloan, professor sênior do Departamento de Física e coautor do estudo, disse: “Usamos a ponta STM para injetar elétrons em moléculas de tolueno, provocando a quebra de ligações químicas e uma mudança para um native próximo, ou dessorção.

“Descobrimos que a proporção desses dois resultados period controlada pela energia dos elétrons injetados. Essa dependência energética nos permitiu obter controle sobre a probabilidade de cada resultado de reação por meio do ‘aquecimento’ direcionado de um estado molecular intermediário, guiado por dados precisos limiares de energia e barreiras moleculares.”

Ph.D. em Física o estudante Pieter Keenan, primeiro autor da publicação da pesquisa, disse: “A chave aqui period manter condições iniciais idênticas para as reações de teste – combinando o native preciso da injeção e o estado de excitação – e então variar os resultados com base apenas na energia do injetado elétrons.

“Dentro da resposta de uma única molécula à entrada de energia, as diferentes barreiras de reação determinam as probabilidades de resultado da reação. Alterar apenas a entrada de energia nos permite, com alta precisão, tornar o resultado de uma reação mais provável do que outro – desta forma, podemos ‘carregar os dados moleculares.'”

O professor Tillmann Klamroth, da Universidade de Potsdam, na Alemanha, acrescentou: “Este estudo combina modelagem teórica avançada com precisão experimental, levando a uma compreensão pioneira das probabilidades das reações com base no cenário de energia molecular. Isso abre caminho para novos avanços na nanotecnologia.”

Olhando para o futuro, o Dr. Rusimova disse: “Com aplicações tanto na ciência básica quanto na aplicada, este avanço representa um grande passo em direção a sistemas moleculares totalmente programáveis. Esperamos que técnicas como esta desbloqueiem novas fronteiras na fabricação molecular, abrindo portas para inovações na medicina , energia limpa e muito mais.”