p As moléculas são tão pequenas que não podemos nem mesmo vê-las com microscópios comuns. Isso torna o estudo de moléculas ou reações químicas difícil:os pesquisadores estão limitados a observações indiretas ou modelos de computador. Uma equipe de pesquisadores da Universidade de Amsterdã e da Universidade de Nova York agora encontrou uma maneira de construir modelos de moléculas de tamanho micrométrico usando 'partículas fragmentadas'. Isso permite um estudo muito mais direto da dinâmica molecular. Os resultados foram publicados em Nature Communications esta semana. p Quando aprendemos química no colégio, usamos kits de modelagem molecular em que os átomos são representados por bolas de madeira ou plástico que você pode conectar para formar moléculas. Esses kits de modelagem nos ajudam a visualizar a estrutura espacial das moléculas e imaginar como elas reagem, mas obviamente nenhuma reação química real ocorre entre as bolas de madeira ou de plástico. Acontece agora que, para bolas muito pequenas, essa situação muda dramaticamente.

p Um novo kit de modelagem

p Embora os kits de modelagem molecular possam ser muito úteis, a maior parte de nosso conhecimento real sobre moléculas surge de uma maneira muito mais indireta. Vêm, entre outros, a partir de medições do espectro de radiação que as moléculas absorvem. Por exemplo, um espectro infravermelho fornece aos cientistas uma impressão digital das vibrações moleculares a partir da qual eles podem deduzir a composição e estrutura molecular. Uma visão direta das moléculas permitiria uma visão imediata de seu arranjo, vibrações e reações moleculares. Contudo, tais imagens diretas são impedidas pelo pequeno tamanho e movimento rápido das moléculas. O fato de todas as observações de moléculas serem indiretas, desafia nossa imaginação das estruturas e reações moleculares tridimensionais.

p Esse problema levou físicos e químicos da Universidade de Amsterdã e da Universidade de Nova York a encontrar uma maneira de combinar a fácil visualização de kits comuns de modelagem molecular com a física real que ocorre na escala sub-nanométrica de moléculas reais. Nos laboratórios de Amsterdã, os cientistas conseguiram construir "moléculas" a partir de pequenas bolas de plástico do tamanho de um micrômetro, as chamadas partículas coloidais, que foram produzidos nos laboratórios de Nova York. As partículas foram feitas de tal forma que se atraem apenas em certas direções, modelar com muita precisão os ângulos específicos entre as ligações químicas entre os átomos, que determinam a maneira como os átomos se organizam em moléculas.

p Essas partículas de tamanho micrômetro de fato combinam o melhor dos dois mundos:elas são pequenas o suficiente para exibir o movimento e as vibrações características que as moléculas experimentam devido à temperatura, mas são grandes o suficiente para serem observados e acompanhados por um microscópio normal.

p Átomos em, moléculas fora

p Para imitar tipos específicos de átomos, os pesquisadores em Amsterdã usaram técnicas que foram desenvolvidas nos últimos anos para equipar as partículas coloidais com manchas atraentes onde os átomos do modelo poderiam 'clicar' entre si. O número e a configuração desses patches determinam o tipo de átomo modelado - por exemplo, para imitar átomos de carbono, os pesquisadores fizeram partículas com quatro manchas em uma geometria de tetraedro, ou partículas com duas manchas em lados opostos, reproduzir os ângulos de ligação de dois estados de ligação bem conhecidos de átomos de carbono. Além disso - e é aqui que o novo kit vai muito além dos modelos moleculares comuns - eles conseguiram ajustar as interações entre os patches para que os átomos do modelo pudessem formar ligações e se dividir novamente da mesma maneira que os átomos fazem em reações químicas reais.

p O kit de modelagem acabou funcionando perfeitamente. Quando vários átomos modelo foram reunidos, os pesquisadores observaram que as partículas de fato formaram as "moléculas" bem conhecidas da química do carbono. Sob um microscópio, análogos de moléculas como butino e butano eram visíveis - moléculas que têm seus átomos principais organizados ao longo de uma linha. Moléculas com configurações semelhantes a anéis, que desempenham um papel importante na química orgânica, também poderiam ser modelados:estruturas como ciclopentano (uma molécula com um anel de cinco átomos de carbono) e ciclohexano (com um anel de seis desses átomos) poderiam ser observadas.

p Franzido e catálise

p Devido ao tamanho maior das moléculas do modelo, os pesquisadores puderam acompanhar sua formação e movimento interno em tempo real e em grande detalhe. Isso permitiu que eles vissem diretamente fenômenos cuja ocorrência apenas era conhecida por observações indiretas. Por exemplo, para a estrutura do anel de cinco átomos do ciclopentano, eles observaram diretamente o movimento característico de "franzido" dos átomos constituintes:o anel de ciclopentano não é fixado em um único plano, mas ele se deforma de modo que os átomos constituintes entram e saem desse plano. A razão para esse comportamento é que os ângulos naturais entre os átomos não correspondem exatamente aos ângulos necessários para fazer um anel plano de cinco átomos, e, como resultado, um átomo sempre tem que ser franzido para fora do plano. Até aqui, o movimento de enrugamento resultante só tinha sido observado por medições espectroscópicas indiretas, mas agora os pesquisadores foram capazes de ver isso acontecer diante de seus próprios olhos, seguindo o movimento diretamente no espaço e no tempo real. Eles descobriram que as inversões ocorreram coletivamente:o movimento para cima e para baixo de uma partícula influenciou o de todas as outras partículas no anel.

p Usando a mesma molécula, os pesquisadores puderam então observar como as reações químicas aconteciam. Observou-se que o anel se abriu e se ligou a outras moléculas - um efeito que poderia ser fortalecido adicionando-se uma superfície atrativa à configuração. Isso é, a superfície agia como um catalisador, fornecendo uma visão - literalmente - sobre o que acontece durante essas reações catalíticas.

p Pequeno o suficiente, mas grande o suficiente

p Claro, o tamanho do micrômetro dos átomos do modelo ainda é um fator de 1000 ou mais do que o tamanho sub-nanômetro dos átomos reais, mas a questão é que eles são pequenos o suficiente para sofrer movimento térmico aleatório, e é isso que faz as reações químicas acontecerem. Como Richard Feynman disse em suas palestras, "Tudo o que as coisas vivas fazem pode ser entendido em termos de balançar e balançar de átomos"; e são precisamente esses balanços e balanços, claramente observável ao olhar para os átomos coloidais com um microscópio, que distinguem o kit de modelagem molecular do tamanho de um micrômetro de sua contraparte que conhecemos do ensino médio.

p Assim, o kit de modelagem é uma ferramenta muito útil para observar diretamente "moléculas" em seu habitat natural, e deve ter muitos aplicativos úteis. Além de dar uma visualização atraente das moléculas, os resultados fornecem uma visão sobre a ação de catalisadores geométricos nas reações moleculares. Além disso, a disponibilidade de novos pequenos blocos de construção abre a porta para o design de novos materiais complexos, diretamente sob o microscópio, com uma série de aplicações que variam de tecido artificial para, e. fins médicos para nanoestruturas funcionais que podem ser usadas em tecnologia.