Observando a realidade de átomos e moléculas

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Créditos: Getty Images.

Por Marcelo Gleiser
Publicado na National Public Radio

Os antigos filósofos gregos e indianos que primeiro deduziram que a matéria era feita de minúsculos pequenos pedaços de material não acreditariam que agora, mais de 25 séculos depois, podemos realmente vê-los.

Como previsto, os átomos modernos são completamente diferentes de seus homólogos antigos, pois não são indivisíveis, mas, ao invés disso, feitos dos elétrons que orbitam um núcleo positivamente carregado. Entretanto, a visualização dessas minúsculas estruturas permaneceu um desafio desde que a ideia surgiu nos tempos modernos, durante a virada do século XX.

Na verdade, muitos pesquisadores notáveis da época duvidaram que os átomos realmente existissem – isto é, que eles faziam parte da realidade, já que não podíamos vê-los. Como podemos saber se algo existe se não podemos ter uma evidência concreta disso? Boa pergunta, mas que certamente depende do estado da tecnologia da época. Presumindo, é claro, que a entidade pode ser estudada experimentalmente pelo menos indiretamente sem violar qualquer lei da natureza.

Em 2013, uma equipe de físicos holandeses liderada por Aneta Stodolna foi capaz de visualizar a função da onda elusiva do elétron em um átomo de hidrogênio. O hidrogênio, sendo o elemento químico mais simples, tem apenas um único elétron orbitando em um único próton no núcleo. A teoria da mecânica quântica prevê que o elétron deve ocupar “orbitais”, uma espécie de conchas esféricas ao redor do próton, onde pode ser encontrado com uma certa probabilidade. A função da onda é o objeto matemático que usamos para calcular essa probabilidade de encontrar o elétron aqui ou ali quando medimos sua posição.

Como pode ser visto, a teoria prevê que os orbitais têm uma bela e complexa estrutura parecida com uma cebola, com espaços entre as conchas, lugares onde o elétron não pode ser encontrado. As imagens de Stodolna, usando uma técnica chamada microscopia de fotoionização, foram capazes de construir um mapa visual de tais orbitais que combinam com a teoria com bastante precisão. Ninguém duvidava que a física quântica estava certa, mas é preciso ver para crer, como diz o ditado.

Igualmente surpreendente, um grupo de pesquisadores da Universidade da Califórnia, em Berkeley, visualizou uma reação química átomo-a-átomo, mostrando não apenas como os átomos se reorganizaram após a reação, mas também as ligações químicas entre eles, as pontes que os unem, como um pequeno conjunto de construção da Erector.

A visualização dessas reações permite que os pesquisadores tenham um controle muito mais prático da dinâmica das reações químicas, algo muito importante em aplicações, onde novas moléculas e materiais estão sendo projetados.

Mas mais do que isso, as técnicas justificam o poder da imaginação humana. Os átomos e as moléculas fazem parte da caixa de ferramentas da física e da química, e suas reações e as estruturas foram inferidas teoricamente e por meio de experimentos engenhosos e técnicas espectroscópicas. (Estudando os tipos de luz visual e outros tipos de radiação eletromagnética que os átomos emitem e absorvem à medida que são arrefecidos ou aquecidos, por exemplo, ou durante reações e colisões.)

Durante as primeiras décadas do século XX, desenvolveu-se um novo tipo de física, a física quântica, com apenas evidências experimentais teóricas e indiretas da existência dessas estruturas. Nós não duvidamos que elas estivessem lá, já que a teoria explicava tão bem as experiências, mas não tínhamos certeza dos detalhes. Agora, somos nós. Os alunos podem recorrer a livros didáticos e olhar para esses orbitais atômicos e ligações moleculares com a confiança de alguém que sabe que não são apenas ideias ou conceitos, mas entidades reais que nos fazem e todos os outros tipos de matéria no universo.

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