Ao focalizar a luz até o tamanho de um átomo, cientistas da Universidade da Califórnia, Irvine produziu as primeiras imagens dos modos normais de vibração de uma molécula - os movimentos internos que conduzem a química de todas as coisas, incluindo a função das células vivas.

Em um estudo publicado hoje em Natureza , pesquisadores do Centro de Química da UCI no Limite de Espaço-Tempo descrevem como posicionaram a ponta de prata atomicamente terminada de um microscópio de tunelamento meros ängstroms de seu alvo:uma molécula de porfirina à base de cobalto afixada a uma plataforma de cobre. (As porfirinas são de importância biológica por seu papel na respiração e na fotossíntese.)

Tocando a molécula com a luz confinada no átomo de prata, a equipe investigou o regime quântico entre os átomos do Twitter da molécula, tornando-se o primeiro a registrar espectros vibracionais e observar como as cargas e correntes que mantêm os átomos unidos em ligações são governadas pelas vibrações moleculares.

"De mudanças estruturais na química à sinalização molecular, todos os processos dinâmicos da vida têm a ver com vibrações moleculares, sem o qual tudo estaria congelado, "disse o co-autor V. Ara Apkarian, Diretor do CaSTL e Professor Distinto de Química da UCI. "Há muito tempo estamos cientes dessas vibrações. Por muito tempo, estivemos medindo suas frequências por meio de espectroscopia - mas só agora podemos ver o que está se movendo e como. "

Coautor Joonhee Lee, Cientista pesquisador CaSTL, adicionado:"Até o momento, vibrações moleculares foram explicadas pictoricamente usando bolas giratórias e molas de conexão para representar átomos e ligações, respectivamente. Agora podemos visualizar diretamente como os átomos individuais vibram dentro de uma molécula. As imagens que fornecemos aparecerão em livros didáticos para ajudar os alunos a entender melhor o conceito de modos normais vibracionais, que até agora tinha sido um conceito teórico. "

Para alcançar a resolução atômica, Os pesquisadores do CaSTL montaram seu experimento em um ambiente de vácuo extremamente alto e baixa temperatura (6 kelvins) para eliminar todos os movimentos externos e posicionaram sua sonda de átomo único perto da molécula-alvo, dentro de uma distância menor que o tamanho de um átomo. As lentes de vidro não funcionariam neste tipo de microscopia, em que os recursos são resolvidos em uma escala que é mil vezes menor que o comprimento de onda da luz.

"O limite do que você pode ver na microscopia padrão é a metade do comprimento de onda da luz, que é da ordem de meio mícron, do qual o microscópio deriva seu nome, "Apkarian disse." O microscópio óptico revolucionou a biologia celular porque através dele você pode observar o que está acontecendo dentro de uma célula - mas uma molécula tem um milésimo do tamanho de uma célula. "

Em seu experimento, a equipe cutucou e cutucou a molécula à base de cobalto com um átomo de prata sendo eletrocutado com luz laser, arriscando a agitação do alvo. Os cientistas do CaSTL mitigaram essa possibilidade congelando a amostra em um substrato de cobre. A molécula achatada ao se ligar ao cobre, expondo-se à aproximação da ponta do microscópio de tunelamento de varredura.

Ao mover a ponta de prata para cima e para baixo em relação à amostra para manter uma distância de cerca de 2 ängstroms (1 ängstrom é igual a um décimo bilionésimo de um metro), os pesquisadores foram capazes de registrar diferenças nas frequências em várias posições dentro da molécula. Eles afirmam que a incrível resolução decorre do tunelamento mecânico quântico de plasmons (elétrons interagindo com a luz), contrariando a noção de que o tunelamento diminuiria o campo elétrico necessário para excitar a molécula.

"Agora temos um microscópio que pode resolver átomos, e estamos usando para olhar dentro das moléculas, o que era impensável apenas alguns anos atrás, "Apkarian disse." A resolução espacial da microscopia óptica avançou em outro entalhe, e o que estamos vendo nessa escala é realmente incrível. "

Próximo, Os cientistas do CaSTL irão refinar ainda mais suas medições de campos elétricos dentro das moléculas, trabalham para detectar onde os átomos estão faltando nas estruturas moleculares, e usar princípios de interferência quântica para caracterizar detalhes ainda mais sutis.

"Esta equipe apoiada pela National Science Foundation atingiu um marco importante ao superar barreiras impossíveis para desenvolver um novo instrumento para 'ver' os átomos individuais de uma molécula em tempo e espaço real, "disse Kelsey Cook, Diretor do programa de química da NSF. "Esta invenção levará a algo sem precedentes, compreensão transformacional de como as moléculas reagem e funcionam as células. "