O gás natural é usado nas refinarias como base para produtos como o acetileno. A eficiência das reações gasosas depende da dinâmica das moléculas - sua rotação, vibração e translação (movimento direcional). Esses movimentos fornecem a energia cinética para conduzir as reações. Ao compreender a dinâmica dos gases, os pesquisadores podem projetar sistemas industriais mais eficientes e ecológicos.

As moléculas de gás podem ser estudadas usando microscopia eletrônica de transmissão (TEM). Ao contrário da microscopia óptica, TEM usa um feixe de elétrons em vez de luz, e tem uma resolução muito maior, capaz de visualizar átomos individuais. Um estudo recente publicado em Relatórios Científicos relata o trabalho de uma equipe do Instituto de Ciência Industrial da Universidade de Tóquio (IIS) em colaboração com a Hitachi High-Technologies Corp. Os pesquisadores usaram uma versão avançada do TEM para estudar a dinâmica de gases simples em alta temperatura.

"No TEM, o feixe de elétrons energético pode ser usado para realizar outro experimento ao mesmo tempo, conhecido como estrutura de perda de energia próxima à borda [ELNES], "diz o primeiro autor Hirotaka Katsukura." Os elétrons no feixe perdem parte de sua energia cinética à medida que passam pela amostra. Medir essa perda de energia revela quais elementos estão presentes e como eles estão ligados uns aos outros. "

Em teoria, ELNES também pode medir a dinâmica das moléculas de gás, não apenas sua ligação química. Contudo, os pesquisadores nunca haviam extraído informações dinâmicas do ELNES antes. A equipe do IIS escolheu quatro gases - oxigênio, metano, nitrogênio e monóxido de carbono - cuja ligação é bem compreendida, e realizou ELNES em temperatura ambiente e 1, 000 ° C. Crucialmente, eles também realizaram simulações de computador desses gases, usando código de dinâmica molecular, para prever teoricamente os efeitos da alta temperatura.

Geralmente, quando as moléculas são aquecidas, eles vibram mais rápido e as ligações entre seus átomos se tornam mais longas. Nos experimentos IIS, dois gases - oxigênio e metano - fizeram, na verdade, mostram mudanças dinâmicas em alta temperatura, com vibração significativamente mais rápida. Contudo, nitrogênio e monóxido de carbono não parecem vibrar de forma diferente a 1000 ° C, apesar de sua energia cinética extra. Além disso, a vibração simulada de alta temperatura do metano combinou muito de perto com os experimentos, mas a vibração do oxigênio quente foi superestimada.

"As moléculas de gás em um aquecedor podem ganhar energia cinética de três maneiras, "diz o autor correspondente Teruyasu Mizoguchi." Ou seja, quicando um no outro, tocando diretamente no elemento de aquecimento, ou absorvendo calor indiretamente por meio de raios infravermelhos. Este último só é possível para gases com ligações químicas polares, onde um elemento puxa os elétrons para longe do outro. Isso se aplica ao metano (CH4), mas não oxigênio, um elemento puro. Portanto, o oxigênio esquentou mais devagar do que as simulações previam. "

Enquanto isso, a falha do nitrogênio e do monóxido de carbono em passar pela excitação vibracional também foi resultado de suas ligações - no entanto, nesse caso, eles eram simplesmente muito rígidos para vibrar muito mais rápido. Essas descobertas ressaltam a importância de levar em consideração a ligação química, mesmo para processos aparentemente simples, como a vibração de uma molécula de dois átomos.

Apesar disso, a equipe acredita que o rápido desenvolvimento do ELNES em breve tornará o método sensível o suficiente para detectar mudanças vibracionais mesmo em moléculas rígidas. Isso abrirá o caminho para um melhor entendimento das reações dos gases em nível atômico.