Modelos e diagramas esquemáticos são ferramentas poderosas para estudar o funcionamento fundamental da química, mas não são suficientes para Wilson Ho.

"Átomos, moléculas e os laços que os mantêm juntos - quero ver essas coisas como realmente aparecem na natureza, "diz Ho, Donald Bren, Professor de Física e Astronomia e Química da UCI. "Esses fenômenos são centrais para a química; é importante imaginá-los diretamente, em vez de apenas estudá-los a partir de desenhos em livros didáticos."

Ho, que veio para a UCI em 2000, fez carreira tentando entender o comportamento intermolecular. Ele quer saber "qual é a natureza dessa interação, o que realmente está acontecendo no ponto de ligação e o que faz as moléculas se atraírem para se formarem mais complicadas, estruturas estendidas? "

Nos últimos meses, ele e seu grupo de pesquisa fizeram avanços significativos em seus esforços para ver esses processos até então invisíveis. Seu objetivo era obter um instantâneo das ligações químicas envolvendo o flúor, que compartilha uma coluna na tabela periódica com outros chamados elementos de halogênio, incluindo cloro, bromo e iodo.

O flúor é usado em muitos medicamentos e em polímeros que compõem muitos dos materiais que as pessoas usam diariamente. Mas, de acordo com Ho, mesmo os fabricantes que manipulam moléculas contendo o elemento não têm certeza de como ele interage com os compostos adjacentes.

Usando um único, microscópio feito à mão, Ho e seus alunos de pós-graduação conseguiram imagens de ligações de halogênio no espaço real e relataram suas descobertas em Ciência este Verão.

"As visões obtidas anteriormente por meio de nosso método mostraram que muitas ligações químicas são bastante semelhantes no mundo real ao que você vê na literatura:basicamente, átomos com linhas conectando-os, "Diz Ho." Mas o padrão da ligação flúor-halogênio - uma espécie de cata-vento - foi bastante surpreendente, certamente diferente de qualquer coisa que você desenharia em uma folha de papel. "

O cientista veterano diz que essa linha de pesquisa estimulou uma evolução em seu pensamento sobre ligações químicas, que são classificados em títulos como hidrogênio, covalente, iônico e halogênio, bem como ligações fracas conhecidas como interações de Van der Waals que Ho compara às pegadas pegajosas de uma lagartixa.

"A implicação mais profunda do nosso trabalho é que todos esses diferentes tipos de ligações químicas podem ser descritos em uma imagem mais unificada, "diz ele." Usando nosso aparato e técnica, podemos ver que ligações covalentes fortes e ligações de halogênio mais fracas parecem muito semelhantes; há apenas uma diferença na força e no grau de compartilhamento de elétrons. "

A chave para todas as descobertas provenientes do laboratório de Ho é um instrumento chamado microscópio de tunelamento de varredura. Ocupando três níveis no porão do Reines Hall, o conglomerado gigantesco de câmaras e tubos de aço inoxidável - muitos deles cobertos por uma folha amassada - é conectado por quilômetros de fios e cabos e cercado por bancos de computadores e outros equipamentos eletrônicos.

Projetado e construído por Ho e alunos de pós-graduação, o aparelho paira sobre um conjunto de quatro pilares de absorção de choque para minimizar qualquer perturbação de vibrações externas. Este microscópio não usa lentes ópticas. Em vez de, ele imagens moléculas com uma ponta emissora de elétrons, ou agulha, posicionado a apenas 5 angstroms dos assuntos. (Em comparação, um átomo de hidrogênio é meio angstrom.) A agulha é estável a um milésimo de angstrom.

Outra chave para a estabilidade e precisão do instrumento é sua temperatura operacional, 600 milikelvins. Zero absoluto, a temperatura teórica mais baixa, é mais frio em apenas seis décimos de um Kelvin.

"Isso nos dá uma resolução de energia muito boa, o que nos permite medir com precisão as ondulações eletrostáticas mínimas dentro e entre as moléculas que estamos estudando, "Diz Ho." Podemos obter imagens monitorando as variações na intensidade vibracional de nossa molécula de sonda. "

Para descer a essa temperatura, ele usa seu próprio suprimento de hélio líquido, que ele recicla em outra instalação Reines Hall, também projetado e construído por sua equipe. "Gostamos de construir nossos próprios instrumentos, "Ho diz." Fornece um bom treinamento para os alunos. Quando eles saem daqui, eles podem contar com toda essa experiência para resolver problemas e fazer dispositivos. Poucos lugares fazem isso. "

Um desses alunos de pós-graduação, Gregory Czap, deixou sua marca no microscópio ao inventar dispositivos interligados que permitem aos pesquisadores alternar rapidamente os experimentos.

"Acho que é fenomenal trabalhar em uma máquina como esta, "ele diz." Isso lhe dá a capacidade de olhar para átomos e ligações individuais. Coisas assim, não muito tempo atrás, as pessoas achavam que você nunca seria capaz de realmente ver. E mais do que olhar para eles, você pode brincar com eles. Você pode fazer coisas como quebrar e formar laços. Você pode reposicionar as moléculas para ver como elas interagem umas com as outras. É simplesmente incrível. "