Desde que a existência de moléculas foi comprovada e reações moleculares foram previstas, os humanos desejam observar visualmente como esses eventos ocorrem. Essas observações de reações de uma única molécula são altamente importantes para a compreensão fundamental das ciências químicas, que ajudaria no desenvolvimento de novos catalisadores, materiais, ou drogas, e nos ajudam a decifrar os complexos processos bioquímicos. Contudo, isso não foi possível por muito tempo na química moderna, e até agora as informações dos processos dinâmicos na escala nanométrica eram obtidas apenas por métodos indiretos, porque as moléculas eram muito pequenas para serem visualizadas.

Descobertas recentes dos pesquisadores do Center for Nanomedicine do Institute for Basic Science, Coreia do Sul, junto com pesquisadores do Japão e da Alemanha podem ter acabado de mudar isso. O grupo observou com sucesso a síntese de baixo para cima do fulereno C60, que é um alótropo de carbono que se assemelha a uma bola de futebol, e produziu uma imagem de vídeo detalhando o processo usando microscopia eletrônica em tempo real de resolução atômica de molécula única (SMART-EM). Isso foi possível com o advento da microscopia eletrônica de transmissão com correção de aberração (TEM) e o estabelecimento das condições para a resolução de objetos do tamanho de um subanômetro, como moléculas e até átomos individuais.

Em seu experimento, os pesquisadores trabalharam com um derivado de truxeno feito sob medida (C60H30), que tem a forma de uma bola de futebol prensada como matéria-prima. Para a observação TEM, o truxeno foi fixado em uma monocamada de grafeno, o que evita que a molécula passe por uma tradução rápida através da superfície ou mesmo pelo desprendimento para o vácuo. Através do isolamento de uma única molécula na superfície, eles foram capazes de estudar processos dinâmicos sem a interferência de outras moléculas. Este material plano bidimensional foi então irradiado com um feixe de elétrons altamente energético de até 80, 000 V, que é centenas de vezes maior do que a voltagem encontrada nas tomadas elétricas domésticas.

O que acontecerá com a molécula se for exposta a um feixe de elétrons tão poderoso? Se a molécula segue as regras dos livros clássicos de química orgânica, a condição extrema forçaria o truxeno a perder seus hidrogênios por um processo conhecido como ciclodesidrogenação, o que faz com que os átomos de carbono restantes dentro da molécula se dobrem em uma forma esférica (Figura 1). Mas se as vias de alta energia dominam, uma decomposição imprevisível, até a atomização completa da molécula, seria o resultado.

Ao correlacionar extensivamente as imagens reais do TEM com as dos modelos simulados (Figura 2), os pesquisadores descobriram que a molécula de truxeno inicialmente sofre uma reação de ciclodesidrogenação controlada cinética e termodinamicamente. As observações do TEM revelaram que a via de reação ocorre por meio de intermediários-chave termodinamicamente favorecidos por meio de mecanismos de reação orgânica aparentemente clássicos, que foram identificados e capturados em vídeo. Assim, eles mostraram que o feixe de elétrons transfere energia cinética para os núcleos e excita os estados vibracionais da molécula, o que dá à molécula energia suficiente para sofrer reações químicas. Importante, verificou-se que a seção transversal (probabilidade) para a via química convencional é maior do que para a clivagem da ligação C-H destrutiva.

Estas descobertas descrevem pela primeira vez a análise em espaço real e em tempo real de uma transformação molécula a molécula discreta, capturado em vídeo. Esta observação no espaço real de uma reação química discreta é um marco nas ciências químicas e levará a uma compreensão mais profunda dos processos químicos fundamentais em nanoescala. A identificação dos principais intermediários também revelou novos insights sobre as reações impulsionadas pelo feixe de elétrons. Os pesquisadores planejam explorar todo o escopo da técnica SMART-EM, aplicando-a a sistemas maiores, como a análise de meios líquidos. Isso irá avançar ainda mais a pesquisa nas áreas que vão desde a química dos nanomateriais às ciências biomédicas, onde a compreensão das interações feixe-matéria é de extrema importância. As percepções obtidas nesses estudos também ajudarão a projetar novas estratégias para sintetizar nanomateriais usando litografia por feixe de elétrons.