Elétrons de valência são visualizados pela primeira vez. E surpreendem

Elétrons de valência

A distribuição dos elétrons na camada mais externa dos átomos, conhecidos como elétrons de valência, foi observada experimentalmente pela primeira vez.

Como todas as interações entre átomos e, portanto, todas as reações químicas, são governadas pelos elétrons de valência, este avanço lança luz sobre a natureza fundamental das ligações químicas, com implicações de largo alcance, desde a química e a biologia fundamentais, passando pela emergência da vida, até processos usados rotineiramente pelas indústrias química e farmacêutica.

O comportamento dos elétrons nos átomos é complexo, formando orbitais que têm funções diferentes dependendo de sua proximidade com o núcleo. Os elétrons das camadas mais internas, chamados elétrons do núcleo, são usados para autoestabilização e não interagem com outros átomos. Por outro lado, os elétrons externos, ou elétrons de valência, definem a maioria das propriedades do material, especialmente durante a ligação com outros átomos.

Entretanto, até agora ninguém havia conseguido isolar experimentalmente a informação dos elétrons de valência, levando os cientistas e engenheiros a dependerem de modelos teóricos e de espectroscopia para estimar essas informações.

Esta dificuldade acaba de ser superada por Takeshi Hara e colegas da Universidade de Nagoia, no Japão, e os resultados mostraram que as estimativas teóricas usadas até agora não fornecem os dados fidedignos que se acreditava.

Elétrons como ondas

Enquanto faziam experimentos de difração de raios X em um acelerador síncrotron, a equipe descobriu que é possível extrair seletivamente apenas a densidade dos elétrons de valência dos átomos em um cristal.

“Usando este método, observamos o estado eletrônico da molécula de glicina, um tipo de aminoácido,” contou o professor Hiroshi Sawa. “Embora o método fosse relativamente simples de executar, o resultado foi impressionante. A nuvem de elétrons observada não exibiu a forma suave e envolvente que muitos previram, mas sim um estado fragmentado e discreto.”

Para que os dados coletados da fonte síncrotron pudessem ser melhor compreendidos, o grupo os utilizou para criar mapas coloridos. Em química, um mapa desse tipo usa cores para apresentar variações nos conjuntos de dados em um intervalo específico. Esses mapas coloridos são frequentemente usados em conjunto com técnicas espectroscópicas, imagens e análise química, para fornecer uma maneira intuitiva de interpretar conjuntos de dados complexos.

Inesperadamente, o mapa da vista transversal das moléculas (a equipe trabalhou com glicina e citidina) revelou claramente interrupções na distribuição dos elétrons ao redor dos átomos de carbono.

“Quando o carbono forma ligações com átomos ao redor, ele reconstrói sua nuvem de elétrons para criar orbitais hibridizados. Neste caso, os elétrons da camada L mais externa têm nós baseados em sua natureza de onda, conhecidos como funções de onda,” explicou Sawa. “Isso significa que, devido à natureza de onda dos elétrons, há partes dos orbitais híbridos onde os elétrons estão ausentes, muito diferente da imagem que muitas pessoas têm de uma ‘nuvem’ contínua de elétrons.”

A distribuição fragmentada da nuvem de elétrons demonstra a natureza de onda dos elétrons, conforme previsto pela mecânica quântica, que propõe que o que normalmente chamamos de partículas podem ser vistas como partículas ou como ondas. “Visualizar o comportamento dos elétrons é um esforço desafiador, mas os resultados podem ser elegantemente compreendidos como elétrons agindo de acordo com funções de onda. Acredito que nossas descobertas surpreenderam muitos pesquisadores e validaram o modelo proposto pela química quântica,” disse Sawa.

De fármacos a semicondutores

A visualização dos elétrons de valência deverá ter implicações de longo alcance.

“Este estudo tornou possível visualizar diretamente a essência das ligações químicas, potencialmente contribuindo para o projeto de materiais funcionais e a compreensão dos mecanismos das reações [químicas]. Isso porque ele auxilia na discussão dos estados eletrônicos das moléculas, que são difíceis de inferir apenas da fórmula estrutural química.

“Ele pode, por exemplo, explicar por que alguns medicamentos funcionam e outros não. Campos onde as interações influenciam a funcionalidade e a estabilidade estrutural, como semicondutores orgânicos e pesquisas sobre a estrutura de duplas hélices de DNA, provavelmente se beneficiarão mais da nossa pesquisa,” disse Sawa. “