Visualizando o invisível:um novo modelo para auxiliar na interpretação de imagens moleculares de resolução atômica

A familiar tabela periódica de elementos com cada tipo de átomo mostrado como bolas coloridas. O tamanho de cada átomo no modelo CPK (acima) é maior do que no modelo Z-correlacionado (abaixo), pois é baseado na distribuição de elétrons ao redor de um átomo e não no tamanho do próprio núcleo. Isso é importante na microscopia eletrônica, onde a nuvem eletrônica não é visível. Crédito:© 2021 Nakamura, Harano et al.

Existem várias maneiras de criar modelos bidimensionais e tridimensionais de átomos e moléculas. Com o advento de aparelhos de ponta que podem visualizar amostras em escala atômica, os cientistas descobriram que os modelos moleculares tradicionais não se encaixavam nas imagens que viam. Os pesquisadores criaram uma maneira melhor de visualizar moléculas baseadas nesses métodos tradicionais. Seus modelos se ajustam bem aos dados de imagem adquiridos e eles esperam que os modelos possam, portanto, ajudar os químicos com sua intuição para interpretar imagens moleculares.
Qualquer um que esteja lendo isso provavelmente está familiarizado com os modelos tradicionais de bola e vareta de átomos e moléculas, onde bolas de diferentes tamanhos e cores representam os vários núcleos atômicos, e as varetas representam propriedades das ligações entre os átomos. Embora sejam ferramentas educacionais úteis, são muito mais simples do que a realidade que refletem. Os químicos tendem a usar modelos como o modelo Corey-Pauling-Koltun (CPK), que é semelhante ao modelo bola-e-vara, mas com as bolas infladas para que elas se sobreponham. O modelo CPK diz aos químicos mais sobre a maneira como os componentes de uma molécula interagem muito melhor do que o modelo bola e vareta.

Nos últimos anos, finalmente tornou-se possível não apenas capturar as estruturas das moléculas, mas até registrar seus movimentos e interações em vídeos, graças a tecnologias como microscopia eletrônica de transmissão de resolução atômica (AR-TEM). Isso às vezes é chamado de "ciência molecular cinematográfica". No entanto, é com esse salto em nossa capacidade de visualizar o invisível que os modelos de bola e vareta ou CPK se tornam um obstáculo e não uma ajuda. Quando pesquisadores do Departamento de Química da Universidade de Tóquio tentaram encaixar esses modelos nas imagens que estavam vendo, encontraram alguns problemas.

"O modelo de bola e vareta é muito simples para descrever com precisão o que realmente está acontecendo em nossas imagens", disse o professor Koji Harano. "E o modelo CPK, que tecnicamente mostra a propagação da nuvem de elétrons em torno de um núcleo atômico, é muito denso para discernir alguns detalhes. A razão é que nenhum desses modelos demonstra os verdadeiros tamanhos dos átomos que as imagens do AR-TEM mostram. "

Nas imagens AR-TEM, o tamanho de cada átomo correlaciona-se diretamente com o peso atômico desse átomo, conhecido simplesmente como Z. Assim, o professor Eiichi Nakamura e sua equipe optaram por modificar um modelo de bola e vareta para ajustar suas imagens, onde cada núcleo em o modelo foi dimensionado de acordo com o número Z do núcleo que representa, e denominou-o modelo molecular Z-correlated (ZC). Eles mantiveram o mesmo sistema de cores usado no modelo CPK, originalmente introduzido pelos químicos americanos Robert Corey e Linus Pauling em 1952.

“Uma imagem vale mais que mil palavras, e você pode comparar imagens AR-TEM com a primeira fotografia de um buraco negro”, disse Nakamura. "Ambos mostram a realidade como nunca visto antes, e ambos são muito menos claros do que as pessoas provavelmente imaginam que essas coisas deveriam ser. É por isso que os modelos são tão importantes, para preencher a lacuna entre a imaginação e a realidade. O modelo ajudará os químicos a analisar imagens de microscópio eletrônico com base na intuição, mesmo sem a necessidade de cálculos teóricos, e abrirá um novo mundo de 'ciência molecular cinematográfica'".

O estudo foi publicado na revista Proceedings of the National Academy of Sciences . + Explorar mais