Regras da mecânica quântica. Dita como as partículas e forças interagem, e, assim, como os átomos e moléculas funcionam - por exemplo, o que acontece quando uma molécula passa de um estado de energia superior para um de energia inferior. Mas além das moléculas mais simples, os detalhes tornam-se muito complexos.

"A mecânica quântica descreve como tudo isso funciona, "disse Paul Hockett do Conselho Nacional de Pesquisa do Canadá." Mas assim que você for além do problema dos dois corpos, você não pode resolver as equações. "Então, os físicos devem contar com simulações e experimentos de computador.

Agora, ele e uma equipe internacional de pesquisadores do Canadá, o Reino Unido e a Alemanha desenvolveram uma nova técnica experimental para obter imagens 3-D de moléculas em ação. Esta ferramenta, ele disse, pode ajudar os cientistas a entender melhor a mecânica quântica subjacente a moléculas maiores e mais complexas.

O novo método, descrito em The Journal of Chemical Physics , combina duas tecnologias. A primeira é uma câmera desenvolvida na Universidade de Oxford, chamada de câmera Pixel-Imaging Mass Spectrometry (PImMS). A segunda é uma fonte de luz ultravioleta a vácuo de femtossegundo construída nos femtolabs do NRC em Ottawa.

A espectrometria de massa é um método usado para identificar compostos desconhecidos e para sondar a estrutura das moléculas. Na maioria dos tipos de espectrometria de massa, uma molécula é fragmentada em átomos e moléculas menores que são então separadas por peso molecular. Na espectrometria de massa de tempo de voo, por exemplo, um campo elétrico acelera a molécula fragmentada. A velocidade desses fragmentos depende de sua massa e carga, então, para pesá-los, você mede quanto tempo leva para atingir o detector.

A maioria dos detectores de imagem convencionais, Contudo, não consegue discernir exatamente quando uma partícula específica atinge. Para medir o tempo, pesquisadores devem usar métodos que efetivamente funcionem como venezianas, que deixa as partículas passarem por um curto período de tempo. Saber quando o obturador está aberto fornece informações sobre o tempo de voo. Mas este método só pode medir partículas da mesma massa, correspondendo ao curto período de tempo em que o obturador está aberto.

A câmera PImMS, por outro lado, pode medir partículas de várias massas de uma só vez. Cada pixel do detector da câmera pode cronometrar quando uma partícula o atinge. Essa informação de tempo produz um mapa tridimensional das velocidades das partículas, fornecendo uma imagem 3D detalhada do padrão de fragmentação da molécula.

Para sondar moléculas, os pesquisadores usaram esta câmera com um laser ultravioleta a vácuo de femtosegundo. Um pulso de laser excita a molécula em um estado de alta energia, e assim que a molécula começa sua evolução mecânica quântica - após algumas dezenas de femtossegundos - outro pulso é disparado. A molécula absorve um único fóton, um processo que faz com que ele se desintegre. A câmera PImMS então tira uma foto 3-D dos detritos moleculares.

Ao disparar um pulso de laser cada vez mais tarde nas moléculas excitadas, os pesquisadores podem usar a câmera PImMS para tirar fotos de moléculas em vários estágios enquanto elas caem em estados de energia mais baixos. O resultado é uma série de imagens 3-D golpe a golpe de uma molécula mudando de estado.

Os pesquisadores testaram sua abordagem em uma molécula chamada C2F3I. Embora seja uma molécula relativamente pequena, ele se fragmentou em cinco produtos diferentes em seus experimentos. O software de dados e análise está disponível online como parte de uma iniciativa de ciência aberta, e embora os resultados sejam preliminares, Hockett disse, os experimentos demonstram o poder desta técnica.

"É efetivamente uma tecnologia capacitadora para realmente fazer esses tipos de experimentos, "Hockett disse. Leva apenas algumas horas para coletar o tipo de dados que levaria alguns dias usando métodos convencionais, permitindo experimentos com moléculas maiores que antes eram impossíveis.

Em seguida, os pesquisadores podem responder melhor a perguntas como:Como a mecânica quântica funciona em grandes, sistemas mais complexos? Como as moléculas excitadas se comportam e como elas evoluem?

"As pessoas vêm tentando entender essas coisas desde os anos 1920, "Hockett disse." Ainda é um campo muito aberto de investigação, pesquisar, e debate porque as moléculas são realmente complicadas. Temos que continuar tentando entendê-los. "