Uma equipe de pesquisadores internacionais liderada pelo Imperial usou uma sonda especial de raios-X para obter novos insights sobre como os elétrons se comportam no nível quântico.

Uma vez que os elétrons conduzem muitas reações químicas, o método pode levar a uma compreensão mais profunda da física, química e ciências da vida e poderia ajudar a projetar materiais avançados e células solares mais eficientes.

A equipe inclui pesquisadores de toda a Europa, os EUA e o Japão, pelo professor Jon Marangos da Imperial, Cadeira Lockyer em Física. Seu artigo é publicado na revista de código aberto Revisão Física X .

A importância da fotoexcitação

A imagem clássica de um átomo, como ensinado em escolas de todo o mundo, imagina um núcleo central de prótons e nêutrons compactados firmemente, em torno dos quais os elétrons orbitam como planetas ao redor do sol. E como planetas, os elétrons têm órbitas diferentes, alguns perto do centro, um pouco mais longe, dependendo de seus níveis de energia.

Embora esta imagem seja apenas uma aproximação, pode ser útil na compreensão do comportamento de átomos e moléculas, por exemplo, durante a fotoexcitação. Este importante processo impulsiona a fotossíntese e é fundamental para a geração de energia solar.

Aqui, a luz atinge uma molécula fazendo com que um elétron se mova para uma órbita de maior energia, deixando para trás um "buraco de elétron" e colocando a molécula em um estado excitado, que pode então transferir energia para partes próximas do sistema molecular estendido, desencadeando uma cadeia de eventos que, em última análise, conduzem a fotossíntese.

Professor Marangos explica, "Todos os processos movidos a energia solar envolvem fotoexcitação e isso significa, inicialmente, que um elétron se move, e então o resto do sistema responde. Mas não entendemos totalmente como exatamente esse elétron excitado se acopla ao movimento nuclear nesta complexa cadeia de eventos. "

Ele acrescenta:"Estamos agora percebendo o quão importante a fotoexcitação solar pode ser para o nosso futuro, e é por isso que fazemos esta pesquisa, para que possamos realmente obter a compreensão mais detalhada e encontrar maneiras de otimizar o acoplamento entre o evento inicial e o resultado que é tecnologicamente mais desejável. "

Dar às moléculas um raio-x

A imagem acima de elétrons como planetas orbitando é apenas uma aproximação. Na verdade, a física quântica nos diz que os elétrons nunca estão localizados em uma posição exata em um determinado momento.

Só podemos dizer que um determinado elétron é, no equilíbrio das probabilidades, com maior probabilidade de estar localizado em certas posições, manifestado como orbitais. Algumas pessoas referem-se à existência de uma "nuvem" ou "mancha" de elétrons, que flui e muda em resposta a eventos como a fotoexcitação.

A equipe de pesquisa se propôs a compreender a dinâmica desses elétrons, no nível quântico, e acompanhar as mudanças momento a momento ao nível do femtossegundo (10 ^-15 segundos ou um quatrilionésimo de segundo).

Isso foi feito usando um laser de raios-X especialmente configurado na Linac Coherent Light Source (LCLS) em Stanford, EUA Em cada disparo, o laser fornece dois pulsos de raios-X ultracurtos separados por apenas alguns femtossegundos:o primeiro elimina um elétron de uma molécula de isopropanol deixando um buraco de elétron e o segundo, crucialmente, analisa e mede o movimento do estado do furo.

A equipe descobriu que esses estados de buracos eletrônicos rapidamente "relaxam" em novos estados metaestáveis ​​da molécula, por meio de rearranjos das posições dos elétrons e dos átomos.

Notavelmente, eles observaram que o movimento dos elétrons, impulsionado por interações com outros elétrons, pode ser concluído em escalas de tempo muito curtas - apenas alguns femtossegundos (10 ^-15 segundos). Eles também observaram os movimentos um pouco mais lentos dos átomos, cerca de 10 femtossegundos, levando ao relaxamento do estado do buraco do elétron, de forma que não fossem mais detectados pela sonda.

Colaborador e co-autor do estudo, Dr. Taran Driver, da Stanford University, comentou, "Com este trabalho, pudemos demonstrar uma nova técnica para medir o movimento ultrarrápido do elétron que ocorre após a fotoexcitação - o que é relevante para uma série de processos importantes, como geração de energia solar ou danos por radiação em sistemas vivos.

"O que é particularmente interessante sobre esse método é que os raios X nos permitem ver em qual sítio atômico da molécula o buraco do elétron está situado em um determinado ponto no tempo, com a capacidade de rastreá-lo conforme ele se move por apenas alguns femtossegundos ou até attossegundos. "

Um conhecimento mais profundo dos processos fundamentais

O método desenvolvido pela equipe para sondar a dinâmica do elétron agora pode ser usado mais amplamente para estudar moléculas maiores e materiais mais complexos.

Em última análise, um conhecimento mais profundo desses processos fundamentais pode ser usado para desenvolver materiais avançados e orientar reações fotoquímicas - por exemplo, no contexto do projeto de células solares.

Professor Marangos explica, "Usando este método, você poderia deduzir que em um determinado material, você está perdendo muitas excitações para algum canal, e então a questão é como você projeta esse material para que você não perca excitações através desse canal e obtenha uma transferência mais eficiente para o resultado desejado. Essa é uma motivação de longo prazo para o que fazemos. "