p Uma equipe internacional de pesquisadores do Donostia International Physics Center, Instituto Fritz-Haber da Sociedade Max Planck, Universidade de Liverpool, e a Academia Polonesa de Ciências mostrou uma nova maneira de operar um interruptor de uma única molécula aplicando uma força externa. p O trabalho experimental e teórico combinado, publicado esta semana em Química da Natureza , abre uma capacidade única para estudar a ativação mecânica e o processamento no nível de uma única molécula, reações elementares que estão envolvidas em muitas funções biológicas importantes e são cruciais em dispositivos moleculares.

p A força necessária para ativar um interruptor de luz em uma parede é pequena. Mas quanta força você precisa aplicar se o dispositivo estiver em nanoescala? | Ou seja, quanta força você precisa para operar um "interruptor de uma única molécula?" Esta questão fundamental está relacionada não apenas à ciência básica, mas também a potenciais aplicações futuras de dispositivos moleculares.

p Pesquisadores do Donostia International Physics Center, San Sebastian (País Basco, Espanha), Instituto Fritz-Haber da Sociedade Max Planck, Berlim, Alemanha), Universidade de Liverpool, (Reino Unido) e Academia de Ciências da Polônia, Varsóvia (Polônia) conseguiu ativar de maneira controlada um "interruptor de uma única molécula" pela força da agulha atomicamente afiada de um microscópio com sonda de varredura de última geração.

p O estudo experimental e teórico, relatado hoje no prestigioso jornal Química da Natureza , demonstra que uma transferência de átomo de hidrogênio intramolecular pode ser desencadeada em uma molécula orgânica adequada adsorvida em uma superfície trazendo a ponta metálica afiada suficientemente perto. A reação, chamado tautomerização, é importante em química orgânica e biologia molecular e também um fenômeno interessante para dispositivos eletrônicos moleculares.

p Os pesquisadores não puderam apenas quantificar a força necessária para operar seu minúsculo interruptor, uma molécula de porficeno em uma superfície de cobre, mas também revelam que a troca só pode ser induzida em posições muito específicas da ponta sobre a molécula, com uma resolução espacial de uma fração de um comprimento de ligação química, nomeadamente cerca de 0,00000002 milímetros. Além disso, eles demonstraram a importância da "reatividade química" do ápice da ponta no processo induzido pela força, já que a molécula não pode ser trocada quando o ápice da agulha é decorado por um único átomo de xenônio - um elemento inerte que carece da reatividade química necessária.

p Takashi Kumagai em FHI-MPG, quem concebeu este estudo, construiu a configuração experimental em que uma agulha oscilante de uma força atômica combinada e um microscópio de tunelamento de varredura é aproximada dentro de algumas distâncias atômicas da molécula. A mudança apareceu como uma característica nas mudanças de frequência na aproximação da ponta e também foi confirmada por mudanças nas imagens em escala atômica ao escanear simultaneamente a ponta sobre a molécula. Foi medido que a força necessária era de cerca de um nano-Newton, que é um pouco menos do que a força necessária para quebrar uma ligação covalente típica entre dois átomos.

p A equipe de pesquisa também realizou extensas simulações de computador para elucidar o mecanismo atomístico por trás da comutação induzida por força. As simulações reproduziram com sucesso os resultados experimentais e forneceram uma descrição atomística sobre o funcionamento da chave de uma única molécula. Thomas Frederiksen, O professor de pesquisa Ikerbasque do Donostia International Physics Center (DIPC) - UPV / EHU explica que "nossos cálculos revelaram que a tautomerização, essa é a mudança, ocorre pela redução de sua barreira de ativação de energia ao se aproximar de uma ponta metálica. Contudo, o comportamento muda dramaticamente com uma ponta terminada em xenônio e nenhuma tautomerização poderia ser induzida por causa de sua inércia e suavidade. "

p Os pesquisadores enfatizam que a reação induzida por força estudada envolvendo mudanças no caminho da reação se assemelha a uma etapa elementar nos processos catalíticos. Portanto, seus resultados também fornecem uma nova estratégia para obter uma visão atomística mais profunda das reações catalíticas, levando a um novo controle da química no nível atômico.