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Gravar um filme no laboratório requer equipamento especial. Especialmente quando os atores são moléculas – invisíveis a olho nu – reagindo entre si. “Imagine tentar filmar pequenos fluxos de lava durante uma erupção vulcânica. A câmera do seu smartphone não estaria à altura do trabalho. Primeiro, você precisaria desenvolver um método especial para tornar visível a ação que deseja capturar”, diz o Prof. Emiliano Cortés, Professor de Física Experimental e Conversão de Energia na LMU.
Mas o esforço vale a pena – especialmente quando o produto da reação é um material energético promissor: as chamadas estruturas orgânicas covalentes (COFs). Ainda bastante jovem, esta classe de materiais tem grande potencial para aplicações em tecnologia de baterias e na fabricação de hidrogênio. Mas apesar de 20 anos de investigação intensiva, os cientistas não conseguiram elucidar completamente o que realmente acontece durante a síntese dos COFs. Como tal, os materiais são frequentemente desenvolvidos por tentativa e erro. Este também tem sido o caso dos COFs, onde vários componentes moleculares precisam encontrar o local correto durante a síntese. Só então a estrutura porosa desejada se forma em grandes áreas.
“Descobrir por que a síntese só funciona sob certas condições e não sob outras tem me intrigado desde os tempos de meu mestrado. Nossa abordagem neste projeto foi usar as ferramentas da física para apoiar os químicos em seu trabalho. Queríamos lançar mais luz sobre o complexo processos de síntese e assim otimizá-los”, explica Christoph Gruber, que pesquisa esse tema na equipe de Cortés como parte de sua tese de doutorado. Para tanto, os dois cientistas recorreram ao grupo de pesquisa da química da LMU Prof. Dana Medina, especializada na síntese de COFs, para estabelecer uma colaboração.
Para a filmagem com as estrelas moleculares, Gruber utilizou um microscópio especial. Com esta ferramenta, a equipe conseguiu acompanhar o mecanismo de formação dos COFs no nível nano. Os pesquisadores da LMU publicaram recentemente seus resultados inovadores na revista Natureza, acompanhado de um vídeo mostrando os processos que ocorrem durante a síntese em tempo real. A sua investigação foi possível graças ao financiamento do Cluster de Excelência de conversão electrónica (DFG), do Centro de Nanociências (CeNS), do programa de tecnologias solares da Baviera SolTech e da Comissão Europeia (CE).
O pedido antecipado é crítico
A síntese das estruturas moleculares exige acima de tudo uma coisa: controle preciso da reação e automontagem dos blocos moleculares presentes. “Só com esse controle é provável que se obtenha uma estrutura altamente cristalina, com ordem extensa e, em última análise, com a funcionalidade desejada”, diz Medina. “No entanto, nosso conhecimento, particularmente dos estágios iniciais de nucleação e crescimento, está cheio de lacunas. E isso frustrou o desenvolvimento de protocolos de síntese eficazes. Portanto, ficamos extremamente intrigados em visualizar a reação à medida que ela se desenrola e focar nos estágios iniciais quando os componentes moleculares misturados começam a reagir.” Foi precisamente aqui que Gruber começou suas investigações, escolhendo o que à primeira vista pareceria um método não convencional para lançar luz sobre a cena inicial da formação do COF: a microscopia iSCAT. A abreviatura significa espalhamento interferométrico, e os biofísicos costumam usar essa tecnologia para investigar coisas como a interação de proteínas. “O princípio de medição baseia-se no facto de que mesmo a mais ínfima das partículas, composta por apenas algumas moléculas, dispersa a luz incidente. Se estas ondas de luz dispersas se sobrepõem, obtemos interferência – tal como as ondas de água numa piscina. Isto é quer dizer, obtemos ondas maiores e menores dependendo de como as ondas se sobrepõem. Registramos esses padrões de luz com uma câmera de alta resolução e, com o processamento subsequente da imagem, obtemos imagens que revelam, por exemplo, partículas de COF em nanoescala.” explica Gruber. E aqui está a vantagem: o método iSCAT é adequado para capturar processos dinâmicos e, portanto, para medições em tempo real. Isso permite que os pesquisadores assistam à síntese ao vivo, por assim dizer.
Gotas têm talento
Imediatamente após o início da reação, os pesquisadores ficaram surpresos ao observar a presença de pequenas estruturas no meio reacional transparente. “As imagens nos mostraram que gotículas em escala nanométrica podem desempenhar um papel essencial na síntese. Embora sejam extremamente pequenas, elas controlam toda a cinética no início da reação”, diz Gruber. “Nada se sabia sobre a sua existência até agora, mas para a formação dos COFs que estudamos, as nanogotículas revelaram-se extremamente importantes. Se estiverem ausentes, toda a reação acontece muito rapidamente e a ordem desejada é perdida.”
Usando o método iSCAT, a equipe do LMU conseguiu gravar um filme mostrando a formação das estruturas moleculares desde o início – com uma sensibilidade de apenas alguns nanômetros. “As técnicas existentes não conseguiam capturar o início da reação, com esses processos em nanoescala e com duração de milissegundos, em tempo real”, diz Cortés. “Através da nossa investigação, conseguimos agora colmatar esta lacuna no nosso conhecimento. Ao mesmo tempo, estamos a obter uma imagem holística das fases iniciais da reacção e da formação progressiva dos COFs.”
Síntese energeticamente eficiente
Além disso, os pesquisadores usaram o clipe do filme e as análises resultantes para projetar um conceito de síntese com eficiência energética. “Com base em nossos resultados, descobrimos como projetar racionalmente as condições de reação”, explica Medina. “Ao adicionar sal de cozinha normal, por exemplo, conseguimos reduzir enormemente a temperatura, de modo que as estruturas moleculares se formam à temperatura ambiente, em oposição a 120 graus Celsius”. Os investigadores estão convencidos de que os seus resultados transformarão a forma como pensamos sobre a síntese dos mais de 300 COF diferentes e poderão, portanto, impulsionar avanços na produção industrial de COF. Além disso, os resultados poderão ter efeitos de longo alcance na síntese de outros materiais e em reações químicas que ainda não foram observadas em tempo real. Os pesquisadores da LMU estão entusiasmados com a filmagem de novos filmes com moléculas no papel principal.
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