Para o físico Percy Zahl, otimizar e preparar um microscópio de força atômica sem contato (nc-AFM) para visualizar diretamente a estrutura química de uma única molécula é um pouco como jogar um videogame de realidade virtual. O processo requer navegar e manipular a ponta do instrumento sobre o mundo de átomos e moléculas, eventualmente pegando alguns no local certo e da maneira certa. Se esses desafios forem concluídos com sucesso, você avança para o nível mais alto, obtenção de imagens que mostram precisamente onde os átomos individuais estão localizados e como eles estão quimicamente ligados a outros átomos. Mas dê um passo errado, e o jogo acabou. É hora de começar de novo.

"O nc-AFM tem uma ponta de molécula única muito sensível que faz a varredura sobre uma superfície de cristal único limpa cuidadosamente preparada a uma altura constante e" sente "as forças entre a molécula da ponta e os átomos individuais e ligações de moléculas colocadas nesta superfície limpa , "explicou Zahl, que faz parte do Grupo de Ciência de Interface e Catálise no Centro de Nanomateriais Funcionais (CFN), um Departamento de Energia (DOE) dos Estados Unidos para usuários do Office of Science User Facility no Brookhaven National Laboratory. "Pode levar uma hora ou dias para que esse sensor funcione corretamente. Você não pode simplesmente pressionar um botão; é necessário um ajuste fino. Mas todo esse esforço definitivamente vale a pena, uma vez que você vê as imagens aparecendo como moléculas em um livro de química. "

Uma história da determinação da estrutura química

Desde o início do campo da química, os cientistas foram capazes de determinar a composição elementar das moléculas. O que tem sido mais difícil é descobrir suas estruturas químicas, ou o arranjo particular de átomos no espaço. Conhecer a estrutura química é importante porque afeta as reatividades da molécula e outras propriedades.

Por exemplo, Michael Faraday isolou o benzeno em 1825 de um resíduo de gás de óleo. Logo foi determinado que o benzeno é composto de seis átomos de hidrogênio e seis de carbono, mas sua estrutura química permaneceu controversa até 1865, quando Friedrich August Kekulé propôs uma estrutura cíclica. Contudo, sua proposta não se baseava em uma observação direta, mas sim na dedução lógica do número de isômeros (compostos com a mesma fórmula química, mas com estruturas químicas diferentes) do benzeno. A estrutura hexagonal simétrica correta do benzeno foi finalmente revelada através de seu padrão de difração obtido por Kathleen Lonsdale via cristalografia de raios-X em 1929. Em 1931, Erich Huckel usou a teoria quântica para explicar a origem da "aromaticidade" no benzeno. Aromaticidade é uma propriedade de moléculas planas em forma de anel nas quais os elétrons são compartilhados entre os átomos. Por causa deste arranjo único de elétrons, os compostos aromáticos têm uma estabilidade especial (baixa reatividade).

Hoje, A cristalografia de raios-X continua a ser uma técnica dominante para determinar estruturas químicas, junto com espectroscopia de ressonância magnética nuclear. Contudo, ambas as técnicas requerem cristais ou amostras relativamente puras, e os modelos de estrutura química devem ser deduzidos analisando os padrões ou espectros de difração resultantes.

A primeira imagem real de uma estrutura química foi obtida apenas uma década atrás. Em 2009, cientistas do IBM Research – Zurich Lab na Suíça usaram nc-AFM para resolver a espinha dorsal atômica de uma molécula individual de pentaceno, vendo seus cinco anéis de benzeno fundidos e até mesmo as ligações carbono-hidrogênio. Essa descoberta foi possível com a seleção de uma molécula apropriada para a extremidade da ponta - uma que pudesse chegar muito perto da superfície do pentaceno sem reagir ou se ligar a ele. Também exigia leitura eletrônica de sensor otimizada em temperaturas criogênicas para medir pequenas mudanças de frequência na oscilação da sonda (que se relaciona com a força), mantendo a estabilidade mecânica e térmica por meio de configurações de amortecimento de vibração, câmaras de vácuo ultra-alto, e sistemas de resfriamento de baixa temperatura.

"O nc-AFM de baixa temperatura é o único método que pode gerar imagens diretamente da estrutura química de uma única molécula, "disse Zahl." Com nc-AFM, você pode visualizar as posições dos átomos individuais e o arranjo das ligações químicas, que afetam a reatividade da molécula. "

Contudo, atualmente, ainda existem alguns requisitos para que as moléculas sejam adequadas para a imagem nc-AFM. As moléculas devem ser principalmente planas (planas), como a varredura ocorre na superfície e, portanto, não é adequado para grandes estruturas tridimensionais (3-D), como proteínas. Além disso, devido à natureza lenta da digitalização, apenas algumas centenas de moléculas podem ser examinadas de forma prática por experimento. Zahl observa que essa limitação pode ser superada no futuro por meio da inteligência artificial, o que abriria o caminho para a microscopia de sonda de varredura automatizada.

De acordo com Zahl, embora o nc-AFM já tenha sido aplicado por alguns grupos ao redor do mundo, não é generalizado, especialmente nos Estados Unidos.

"A técnica ainda é relativamente nova e há uma longa curva de aprendizado na aquisição de estruturas moleculares baseadas em pontas de CO, "disse Zahl." É preciso muita experiência em microscopia de varredura por sonda, bem como paciência. "

Uma capacidade e experiência únicas

O nc-AFM do CFN representa um dos poucos neste país. Nos últimos anos, Zahl atualizou e personalizou o instrumento, mais notavelmente com o software e hardware de código aberto, GXSM (para microscopia de varredura Gnome X). Zahl desenvolve o GXSM há mais de duas décadas. Um sistema de controle de processamento de sinal em tempo real e software registra continuamente as condições operacionais e ajusta automaticamente a posição da ponta conforme necessário para evitar colisões indesejadas quando o instrumento é operado em um modo de varredura específico de AFM para registrar forças sobre as moléculas. Porque Zahl escreveu o software sozinho, ele pode programar e implementar novos modos de imagem ou operação para novas medições e adicionar recursos para ajudar os operadores a explorar melhor o mundo atômico.

Por exemplo, recentemente, Zahl aplicou um modo personalizado de "fatiar" para determinar a configuração geométrica 3-D em que uma única molécula de dibenzotiopeno (DBT) - uma molécula aromática contendo enxofre comumente encontrada no petróleo - é adsorvida em uma superfície de ouro. A molécula DBT não é totalmente plana, mas sim inclinada em um ângulo, então, ele combinou uma série de imagens de força (fatias) para criar uma representação semelhante a uma topografia de toda a estrutura da molécula.

"Neste modo, obstáculos como átomos protuberantes são evitados automaticamente, "disse Zahl." Esta capacidade é importante, como as medições de força são idealmente tomadas em um plano fixo, com a necessidade de estar muito próximo dos átomos para sentir as forças repulsivas e, finalmente, para obter contraste detalhado da imagem. Quando as partes se projetam para fora do plano da molécula, eles provavelmente terão um impacto negativo na qualidade da imagem. "

Esta imagem de DBT foi parte de uma colaboração com Yunlong Zhang, um químico orgânico físico na ExxonMobil Research e Engineering Corporate Strategic Research em New Jersey. Zhang conheceu Zahl em uma conferência há dois anos e percebeu que as capacidades e conhecimentos em nc-AFM no CFN teriam um grande potencial para sua pesquisa sobre a química do petróleo.

Zahl e Zhang usaram nc-AFM para obter imagens da estrutura química não apenas do DBT, mas também de duas moléculas aromáticas contendo nitrogênio - carbazol (CBZ) e acridina (ACR) - que são amplamente observadas no petróleo. Ao analisar as imagens, eles desenvolveram um conjunto de modelos de características comuns nas moléculas em forma de anel que podem ser usados ​​para encontrar átomos de enxofre e nitrogênio e distingui-los dos átomos de carbono.

Petróleo:uma mistura complexa

A composição química do petróleo varia amplamente, dependendo de onde e como ele se formou, mas, em geral, contém principalmente carbono e hidrogênio (hidrocarbonetos) e quantidades menores de outros elementos, incluindo enxofre e nitrogênio. Durante a combustão, quando o combustível é queimado, esses "heteroátomos" produzem óxidos de enxofre e nitrogênio, que contribuem para a formação de chuva ácida e poluição atmosférica, ambos os poluentes atmosféricos que são prejudiciais à saúde humana e ao meio ambiente. Os heteroátomos também podem reduzir a estabilidade do combustível e corroer os componentes do motor. Embora existam processos de refino, nem todo o enxofre e nitrogênio são removidos. Identificar as estruturas mais comuns de moléculas impuras contendo átomos de nitrogênio e enxofre pode levar a processos de refino otimizados para a produção de combustíveis mais limpos e eficientes.

"Nossa pesquisa anterior com o grupo IBM em Zurique sobre asfaltenos de petróleo e misturas de óleo pesado forneceu a primeira" espiada "em várias estruturas de petróleo, "disse Zhang." No entanto, mais estudos sistêmicos são necessários, especialmente na presença de heteroátomos e suas localizações precisas dentro de estruturas de hidrocarbonetos aromáticos, a fim de ampliar a aplicação desta nova técnica para identificar estruturas moleculares complexas no petróleo. "

Para criar imagens dos átomos e ligações no DBT, CBZ, e ACR, os cientistas prepararam a ponta do nc-AFM com um único cristal de ouro no ápice e uma única molécula de monóxido de carbono (CO) no ponto de terminação (o mesmo tipo de molécula usada no experimento IBM original). O cristal de metal fornece um suporte atomicamente limpo e plano de onde a molécula de CO pode ser captada.

Depois de "funcionalizar" a dica, eles depositaram um pouco de cada uma das moléculas (quantidade de poeira) em uma superfície de ouro dentro do nc-AFM sob vácuo ultra-alto em temperatura ambiente por meio de sublimação. Durante a sublimação, as moléculas vão diretamente da fase sólida para a fase gasosa.

Embora as imagens que obtiveram se assemelhem a desenhos de estruturas químicas, você não pode dizer diretamente a partir dessas imagens se há nitrogênio, enxofre, ou átomo de carbono presente em um determinado local. É necessário algum conhecimento de entrada para deduzir essas informações.

“Como ponto de partida, nós imaginamos pequenas moléculas bem conhecidas com blocos de construção típicos que são encontrados em hidrocarbonetos aromáticos policíclicos maiores - neste caso, no petróleo, "explicou Zahl." Nossa ideia era ver como são os blocos de construção básicos dessas estruturas químicas e usá-los para criar um conjunto de modelos para encontrá-los em misturas moleculares desconhecidas maiores. "

Por exemplo, para moléculas contendo enxofre e nitrogênio no petróleo, enxofre só é encontrado em estruturas em anel com cinco átomos (estrutura em anel pentágono), enquanto o nitrogênio pode estar presente em anéis com cinco ou seis (estrutura de anel hexagonal) átomos. Além desta geometria de ligação, o "tamanho relativo, "ou raio atômico, dos elementos pode ajudar a distingui-los. O enxofre é relativamente maior do que o nitrogênio e o carbono, e o nitrogênio é ligeiramente menor que o carbono. É deste tamanho, ou "altura, "a que o AFM é extremamente sensível.

"Simplesmente falando, a força que o AFM registra nas proximidades de um átomo está relacionada à distância e, portanto, ao tamanho desse átomo; enquanto o AFM varre uma molécula em uma elevação fixa, átomos maiores se projetam mais para fora do plano, "explicou Zahl." Portanto, quanto maior o átomo em uma molécula, quanto maior a força que o AFM registra à medida que se aproxima de sua camada atômica, e a repulsão aumenta dramaticamente. É por isso que nas imagens o enxofre aparece como um ponto brilhante, enquanto o nitrogênio parece um pouco mais fraco. "

Zahl e Zhang então compararam suas imagens experimentais com as simuladas por computador que eles obtiveram usando o método de simulação de partícula de sonda mecânica. Este método simula as forças reais que atuam na molécula de CO na extremidade da ponta enquanto ela varre as moléculas e se dobra em resposta. Eles também realizaram cálculos teóricos para determinar como o potencial eletrostático (distribuição de carga) das moléculas afeta a força medida e se relaciona com sua aparência nas imagens nc-AFM.

"Usamos a teoria do funcional da densidade para estudar como as forças sentidas pela molécula da sonda de CO se comportam na presença do ambiente de carga que cerca as moléculas, "disse Zahl." Precisamos saber como os elétrons são distribuídos para entender a força atômica e o mecanismo de contraste da ligação. Esses insights até nos permitem atribuir ligações simples ou duplas entre os átomos, analisando os detalhes da imagem. "

Daqui para frente, Zahl continuará desenvolvendo e aprimorando os modos de imagem nc-AFM e tecnologias relacionadas para explorar muitos tipos de interessantes, desconhecido, ou novas moléculas em colaboração com vários usuários. As principais moléculas candidatas de interesse incluem aquelas com grandes momentos magnéticos e propriedades especiais de spin para aplicações quânticas e novos materiais semelhantes ao grafeno (o grafeno é uma folha de átomos de carbono de um átomo de espessura arranjada em uma rede hexagonal) com propriedades eletrônicas extraordinárias.

"O CFN tem recursos e experiência exclusivos em nc-AFM que podem ser aplicados a uma ampla gama de moléculas, "disse Zahl." Nos próximos anos, Acredito que a inteligência artificial terá um grande impacto no campo, ajudando-nos a operar o microscópio de forma autônoma para realizar o mais demorado, tedioso, e partes propensas a erros de experimentos. Com este poder especial, nossas chances de ganhar o "jogo" aumentarão muito. "