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    Dinâmica de elétrons ultrarrápida no espaço e no tempo

    Os cientistas rastrearam os tomogramas orbitais com resolução ultra-alta ao longo do tempo. Para este propósito, os elétrons nas moléculas foram excitados em um orbital diferente com pulsos de laser de femtossegundos. Crédito:Philipps-Universität Marburg / Till Schürmann

    Muitas vezes retratados como balões coloridos ou nuvens, orbitais de elétrons fornecem informações sobre a localização dos elétrons nas moléculas, um pouco como instantâneos difusos. Para entender a troca de elétrons em reações químicas, não é apenas importante saber sua distribuição espacial, mas também seu movimento no tempo. Cientistas de Julich, Marburg, e Graz agora fizeram um grande progresso nessa direção:eles gravaram com sucesso imagens orbitais com uma resolução temporal extremamente alta.

    "Por décadas, a química tem sido governada por dois objetivos ambiciosos, "diz o professor Stefan Tautz, chefe do subinstituto de Nanociência Quântica em Forschungszentrum Jülich. "Uma delas é entender as reações químicas diretamente da distribuição espacial dos elétrons nas moléculas, enquanto o outro está traçando a dinâmica do elétron ao longo do tempo durante uma reação química. "Ambos os objetivos foram alcançados em descobertas separadas inovadoras na química:a teoria dos orbitais moleculares de fronteira explicou o papel da distribuição de elétrons nas moléculas durante as reações químicas, enquanto a espectroscopia de femtossegundo tornou possível observar estados de transição nas reações. "Há muito tempo é um sonho da físico-química combinar esses dois desenvolvimentos e, em seguida, rastrear elétrons em uma reação química no tempo e no espaço."

    Os cientistas deram um grande passo em direção a esse objetivo:eles observaram processos de transferência de elétrons em uma interface metal-molécula no espaço e no tempo. Essas interfaces são o foco da pesquisa no Centro de Pesquisa Colaborativa 1083 da Fundação Alemã de Pesquisa em Philipps-Universität Marburg, e foram os experimentos conduzidos aqui que levaram à publicação de hoje. "As interfaces inicialmente parecem não ter mais do que duas camadas lado a lado, ao passo que eles são de fato o lugar onde as funções dos materiais surgem. Eles, portanto, desempenham um papel decisivo nas aplicações tecnológicas, "diz Ulrich Höfer, professor de física experimental na Philipps-Universität Marburg e porta-voz do centro de pesquisa colaborativa. Em células solares orgânicas, por exemplo, combinar diferentes materiais em uma interface melhora a divisão dos estados excitados pela luz incidente, permitindo assim que a eletricidade flua. As interfaces também desempenham um papel fundamental em telas de diodo orgânico emissor de luz (OLED) usadas em smartphones, por exemplo.

    As moléculas de PTCDA em uma superfície de óxido de cobre são usadas como amostra. Um elétron molecular é excitado por um pulso de laser em outro orbital, mudando sua distribuição espacial. O elétron no orbital excitado tem uma vida útil finita, que pode ser medido por tomografia orbital ultra-rápida. Crédito:Philipps-Universität Marburg / Till Schürmann

    A abordagem experimental usada pelos cientistas é baseada em um avanço feito há alguns anos na espectroscopia molecular:tomografia orbital de fotoemissão, que se baseia no conhecido efeito fotoelétrico. "Aqui, uma camada de moléculas em uma superfície de metal é bombardeada com fótons, ou partículas de luz, que excita os elétrons e faz com que eles sejam liberados, "diz o professor Peter Puschnig da Universidade de Graz." Esses elétrons liberados não voam simplesmente no espaço, mas - e este é o ponto decisivo - com base em sua distribuição angular e distribuição de energia, eles fornecem uma boa indicação da distribuição espacial de elétrons em orbitais moleculares. "

    "O principal resultado do nosso trabalho é que podemos obter imagens dos tomogramas orbitais com resolução ultra-alta ao longo do tempo, "diz o Dr. Robert Wallauer, líder do grupo e assistente de pesquisa na Philipps-Universität Marburg. Para fazer isso, os cientistas não usaram apenas lasers especiais com pulsos ultracurtos na faixa do femtossegundo para excitar os elétrons nas moléculas; eles também usaram um novo microscópio de impulso que mediu simultaneamente a direção e a energia dos elétrons liberados com sensibilidade muito alta. Um femtossegundo é 10 -15 segundos - um milionésimo de um bilionésimo de um segundo. Em relação a um segundo, isso é apenas um segundo em relação a 32 milhões de anos. Esses pulsos curtos são como uma espécie de luz estroboscópica e podem ser usados ​​para decompor processos rápidos em imagens individuais. Isso permitiu aos pesquisadores rastrear a transferência de elétrons como se estivesse em câmera lenta. "Isso nos permitiu rastrear espacialmente as vias de excitação de elétrons quase em tempo real, "diz Tautz." Em nosso experimento, um elétron foi primeiro excitado de seu estado inicial para um orbital molecular desocupado por um primeiro pulso de laser antes que um segundo pulso de laser o permitisse finalmente alcançar o detector. Não só podemos observar esse processo em detalhes ao longo do tempo, mas os tomogramas também nos permitiram rastrear claramente de onde os elétrons vieram. "

    "Acreditamos que nossas descobertas representam um avanço crucial para o objetivo de rastrear elétrons por meio de reações químicas no espaço e no tempo, "diz Ulrich Höfer." Além dos conhecimentos fundamentais sobre reações químicas e processos de transferência de elétrons, essas descobertas também terão implicações muito práticas. Eles abrem inúmeras possibilidades para a otimização de interfaces e nanoestruturas e os processadores resultantes, sensores, monitores, células solares orgânicas, catalisadores, e potencialmente até mesmo aplicativos e tecnologias em que ainda nem pensamos. "

    O estudo é publicado em Ciência .


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