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segunda-feira, 22 de agosto de 2011

Fotografia de Moléculas

Hoje, conversando com dois alunos sobre a questão da possibilidade de fotografar moléculas, ver átomos e, mais ainda, ver orbitais e ligações químicas, comentei com eles sobre esta matéria publicada na Folha de S.Paulo:

Pela primeira vez, cientistas
"fotografam" molécula individual
28/08/2009 da Folha Online
Os átomos que formam uma molécula foram visualizados de forma mais nítida pela primeira vez, por meio de um microscópio de força atômica.A observação, feita por cientistas do laboratório da IBM em Zurique (Suíça) e divulgada na revista "Science" na quinta-feira (27/08/2009), representa um marco no que se refere aos campos de eletrônica molecular e nanotecnologia, além de um avanço no desenvolvimento e melhoria da tecnologia de dispositivos eletrônicos. Microscópios já conseguiram visualizar átomos individuais, cujo tamanho é muito menor. As moléculas, entretanto, possuem estrutura mais frágil - e, até então, não havia equipamento para "fotografá-las".
"Foto" da molécula de pentaceno, acima; abaixo, desenho traz carbono em átomos cinza e hidrogênio em branco.
De acordo com o jornal espanhol "El País", a molécula de pentaceno (C22H14) consiste em cinco anéis benzênicos unidos formando uma cadeia aromática, que pode ser usada em novos semicondutores orgânicos. A estrutura de carbono e hidrogênio possui 1,4 nanômetro de comprimento.
Há dois meses, a "Science" também publicou um estudo no qual se mediam a carga dos átomos com o mesmo tipo de microscópio.
Com os estudos, pode-se investigar como se transmite a carga por meio das moléculas ou de redes moleculares. Na prática, o desenvolvimento da eletrônica molecular significa o aumento do desempenho tecnológico de dispositivos eletrônicos, como computadores e telefones móveis, a partir da redução do seu tamanho. 
COMENTÁRIOS: Na verdade, a imagem obtida não é uma "foto" como outra qualquer. Tanto que a Folha, sabiamente, usou o termo entre aspas. Os microscópios de tunelamento e de força atômica captam alterações no campo eletromagnético da matéria e geram as imagens a partir das instruções com as quais são "alimentados". Sendo assim, as mesmas informações gerariam uma imagem diferente, um campo de girassóis por exemplo, se o computador fosse alimentado com a informação "formato de flores".  Visualização, no caso, é quase uma metáfora. Meu grande amigo virtual, Professor Miguel (Comunidade dos Professores de Química, no ORKUT) comentou a imagem da seguinte forma:
"Interessantíssimo!!! Porém, e sem pretender colocar água na fervura, sempre fico com um pé atrás quando vejo uma coisa dessas. Fico sempre imaginando como seria essa "imagem" caso nosso paradigma atômico-molecular fosse distinto do atual. Sempre fico imaginando as fotos "photoshopadas", que promovem pequenas adequações nos e nas modelos para que se pareçam mais com aquilo que a maioria dos consumidores desse tipo de carne desejam ver. Sou um completo ignorante no assunto, mas gostaria de conhecer, além dos princípios sobre os quais se baseia a microscopia de força atômica, quais as equações matemáticas (seriam as transformadas de Fourier?) que são utilizadas para converter os sinais elétricos nas "imagens" resultantes. Sempre fico pensando se aquilo que vemos realmente é, existe. Será que não vemos apenas aquilo que queremos ver?"
 Foto: IBM             Reportagem: Folha de S.Paulo
Comentários: Ramon L. O. Junior e Miguel Ruiz

21 comentários:

  1. Tinha que ser a galera da IBM mesmo! Os melhores microscópios de varredura STM do mundo!(feitos por tunelamento) Se não estou enganado eles tambem esculpiram a sua logomarca com átomos de xenônio(utilizaram 35 átomos pra isso!)

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  2. Ramon, tentando satisfazer o Miguel Ruiz, Acredito que a equacionamento matemático em questão seria a equação de Schoedinger independente do tempo para calcularmos uma densidade de probabilidade de uma função de onda.O tunelamento pode ser equacionado com a probabilidade em que o elétron possa transpor uma barreira de potencial finitono caso, o tunelamento da corrente é feito pela ponta da agulha do cantilever sob o modo distância cosntante ou corrente constante...

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  3. Concordo plenamente com o Fernando Dantas, depois faço minhas considerações porque se fosse explana-las nesse espaço demandaria muito tempo e espaço...rsrs
    Mas é muito doido Ramon, mesmo sabendo que se trata de um computador "alimentado pela informação", queria mesmo era ver um átomo isolado...Mas já acabei com todos os pincéis verdes aqui de casa, sem mais devaneios!rsrs
    Renan

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  4. Não tendo condição de comentar no nível em que a discussão se encontra, acreditando na imagem diria: num é que as cobra come os rabo mermo!

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  5. Calma, Frederico.
    Breve o Claret volta das férias e esse tópico vai pegar fogo na discussão!!!
    Já vou comprar uma caixa de pincéis verdes!
    kkkk

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  6. Boas madrugadas!

    Bom, a noticia e' um pouco antiga e se avançou mais neste campo nos ultimos tempos. Estes microscopios de proximidade funcionam , grosso modo, tal como um cego que, usando seu bastao como sonda pode "ver" coisas perto dele. Para tentar esclarecer um pouco o assunto deveriamos diferenciar alguns tipos de microscopios "atomicos":

    1) microscopio de efeito tunel. Funciona por meio do efeito tunel, um fenomemo quantico (nao ha' analogo em fisica classica). Se pode fazer uma analogia simples com uma bola que esta' picando a uma altura de 1.0 metro perto de um muro de 4 metros de altura. Em termos de fisica classica, e' impossivel que esta bola passe ao outro lado do muro porque a energia dela e' inferior a barreira de potencial que representa o muro. Entretanto, em Fisica Quantica, e em se tratando de eletrons, nucleons e outras particulas subatomicas, isso sim e' possivel. Por exemplo, o efeito tunel explica a desintegraçao alfa nos nucleos radioativos, os transistores de efeito tunel ou as interaçoes nucleares no interior das estrelas, etc. Ao aproximar sem tocar uma "agulha" muito fina - da ordem de nanometros - a uma superficie que contem metais nao se deveria estabelecer uma corrente eletrica, em termos da Fisica Classica. Porem, tendo em conta as escalas subatomicas e o efeito tunel quantico, aparecera' uma pequenissima corrente chamada corrente de tunelamento. Registrando as intensidades destas microcorrentes, e' possivel mapear a superficie e dai inferir a forma dos atomos que compoem a superficie metalica. Este e' um metodo muito potente mas esta' restringido a materiais condutores e nao deve aplicar-se aqui.

    2) microscopio de forças atomicas. Mais ou menos o mesmo que (1) so' que se mapeam as interaçoes eletromagneticas e quanticas entre as superficies em estudo e a "agulha". Note que aqui nao ha' restriçoes quanto a necessidade da superficie ser condutora ou nao. Por isso e' possivel mapear estruturas com a descrita no post. Ai entra, dependendo do material, outro fenomeno quantico - o principio de exclusao de W. Pauli. Medindo estas interaçoes, e' possivel mapear os atomos que compoem a superfie em estudo.

    O mapeamento final e' feito assignando escalas de cores ao grau de interaçao medido. Grosso modo, e' como o laser que mapea os surcos que existem em um CD ou DVD e os transforma em informaçao (musica, textos, sons, etc). Por outro lado, este tipo de experimentos abrem as portas para, por exemplo, um novo tipo de computaçao: o computador quantico, muito mais veloz e com capacidade de armazenar nao so' informaçoes em forma de binarios (zero e um).


    Quanto a duvida expressada de que "vemos o que queremos ver", se trata do poder de resoluçao dos microscopios de proximidade. Ate' entao, nao podiamos discernir a forma dos atomos porque para tal deveriamos ter uma "agulha" da mesma ordem do tamanho destes. Agora, a nanotecnologia nos deu esta " agulha" possibilitando este poder de resolver detalhes atomicos. Nao ha' um "bias" aqui. Outras tecnicas ou experimentos independentes produzem resultados compativeis. Alias, o microscopio de efeito tunel foi inventado nos inicio dos anos 80 e se houvesse algum truque como se pretende sugerir, podem estar certos que ja' teria sido desemascarado. E' bom lembrar tambem a historia do microscopio otico tradicional: van Leeuwenhoek via os mesmos micro-organismos que os cientistas da R. Society se o material usado era o mesmo.


    Espero haver confundido voces um pouco mais (rs).

    Um abraço,

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  7. Ainda em tempo, gostaria só de corrigir uma asneira que disse no primeiro post: Microscopia de Varredura(SPM) e por Tunelamento (STM) utilizam métodos completamente distintos! Portanto não são a mesma técnica, como dei a entender no primeiro post! Obrigado ao Claret por ter me alertado!(Ainda bem que é bão ter tio foda!!!)

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  8. Claret,
    claro que ajudou. Estamos bem mais confusos agora!!!
    Abração

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  9. Detalhe : O STM é restrito apenas a superfícies condutoras, acho que não é o caso dessa foto ... Acredito que o AFM ( microscópio de força atômica)é o mais indicado!

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  10. Fernando, no seu peneultimo comentario, acerta em uma coisa mas erra em outra: sou tio dele mas nao sou foda. Simples, nao?

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  11. Caros colegas,
    Eu permaneço com minhas desconfianças.
    Fico imaginando uma sonda, constituída basicamente de uma molécula de CO, que mede (de uma ou outra maneira) o efeito de variações das densidades eletrônicas e os resultados dessas medidas sendo tratados matematicamente (com o uso de equações não muito simples), todas elas baseadas em um arcabouço teórico e, ainda, em algumas considerações de ordem prática.
    A leitura do artigo original é uma grande viagem e tudo indica que temos, de fato, um mapa de densidades eletrônicas. O que, no meu entendimento, é um pouco distinto de imagens de átomos.
    Mas isso pode ser apenas uma questão de semântica...

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  12. Miguel,
    compartilho de suas desconfianças. Mineiramente, fica aqui matutando e desconfiando.
    Grande e fraternal abraço!!!

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  13. Ola Miguel e Ramon,

    quando se desconfia, se deve dizer porque e se deve argumentar em consequencia. A desconfiança sem argumentos nao tem sentido cientifico. Voces desconfiam do efeito tunel mas usam produtos eletronicos baseados nele. Ironico, nao? Onde esta' a coerencia? Enquanto voces desconfiam sem argumentar, a Fisica avança.

    Miguel, nao ofenda a teoria chamando-a de arcabouço. Para que voce tenha uma ideia, nos anos 20 do seculo passado, um bando de fisicos teoricos começou a "brincar" com a mecanica quantica. Hoje, esta brincadeira representa uns 20% do PIB mundial... Talvez fosse interessante rever seu conceito da palavra "teoria".

    Uma pergunta: voces acreditam na existencia de eletrons, protons, quarks, etc?


    Saudaçoes

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  14. Esqueci de comentar uma coisa: A duvida e' necessaria e saudavel em todo processo cientifico. Entretanto, como ressaltei antes, deve estar bem fundamentada teorica e experimentalmente.

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  15. Desculpem-me tantas mensagens.

    Nao pensem que a pergunta que fiz em mi ante-penultimo post e' provocativa ou mesmo ofensiva. A fiz porque existem algumas semelhanças entre os metodos da miscroscopia de proximidade e os metodos atuais de detecçao das particulas elementares (eletrons, protons, muons, pions, quarks, etc).

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  16. Claret,
    verifique por exemplo este link e a imagem associada: http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=fotografia-do-spin
    Spin é uma pontinha ou uma pontinha dupla em um cone?
    E claro, óbvio que acredito em prótons, elétrons e quarks! Você está confundindo as coisas. Não estamos duvidando que o "homem pousou na Lua", ou que a energia associada aos átomos tenha sido captada pelo microscópio. Só acreditamos que a imagem gerada tem um certo grau de aproximação com base nos procedimentos que são usados para obtê-la, só isso. Algo como um filtro usado em fotografia, por exemplo. Não se ofenda!
    Abraços, Ramon.

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  17. Claret,
    também confira este link: http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=molecula-individual-fotografada&id=010165090828
    Em especial os trechos: "O termo fotografia, como comumente usado, não é exato porque a imagem é gerada pela interação entre a ponta de prova de um microscópio de força atômica e a molécula que está sendo observada. As medições dessas interações são interpretadas pelo software do microscópio, que produz uma imagem do relevo da molécula." "Medindo esta força, os cientistas construíram uma espécie de "mapa topográfico" da molécula, que se transformou nesta imagem histórica, a primeira visualização de uma molécula inteira."
    Bibliografia: The Chemical Structure of a Molecule Resolved by Atomic Force Microscopy
    Leo Gross, Fabian Mohn, Nikolaj Moll, Peter Liljeroth, Gerhard Meyer
    Science
    28 August 2009
    Vol.: 325. no. 5944, pp. 1110 - 1114
    DOI: 10.1126/science.1176210

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  18. Ramon,

    prefiro o artigo original. De fato, faz mais ou menos um ano escutei as explicaçoes de um fisico espanhol especializado em microscopia de proximidade

    Creio que sao voces que confundem os termos. Uma fotografia, no sentido mais literal da palavra, nao e' mais que o resultado das interaçoes quanticas dos fotons com os sais da emulsao (ou com o diodos dos detectores de estado solido CCD). Mutatis mutandis, as imagens da microscopia de proximidade sao o resultados das interaçoes eletromagneticas e quanticas entre superficie e a "agulha" nonometrica.


    Abs.

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  19. A fotografia tradicional tambem passa por processos de tratamento de imagens. Por exemplo: antigamente, se revelava e fixava os negativos antes de passa-lo ao papel (outro processo quimico mais). Toda uma serie de processos fisico-quimicos antes de obter a foto final.

    Modernamente, existe nas camaras um software que processa as informaçoes armazenadas nos diodos que, somente depois de passar pelo tratamento eletronico, teremos a imagem definitiva.

    Por tanto, todo tipo de fotografia passa por processos fisico-quimicos ou modernamente, por tratatamento matematico das imagens.

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  20. Caríssimos:

    - arcabouço teórico é equivalente à estrutura de uma teoria. Portanto, não entendi o que quis dizer com "não ofenda a teoria chamando-a de arcabouço"!!! (arcabouçar: construir sobre base sólida)

    - Onde foi que escrevi que não acredito em efeito túnel? Aliás, efeito túnel é, em minha opinião, consequência de um arcabouço teórico relativamente sólido, mas ainda em evolução. Para quem gosta de analogias (e eu não gosto) é "como" se algo que "a priori" seria impossível não o é "de fato".

    - Minha postagem de 01/09 contém argumentação, somente não me preocupei com o rigor científico, pois não pretendia cansar aos frequentadores desse blog Ramonítico.

    Nada tenho contra as discussões, ao contrário, é isso que nos move.

    Para degustação, alguns exemplos de "imagens":

    http://info.abril.com.br/noticias/ciencia/foto-desmente-rosto-em-marte-30072010-9.shl

    http://www.mdig.com.br/index.php?itemid=1698

    Se ainda me permitem, o problema de algumas analogias, muitas vezes, é a amplitude que se admite para o "mutatis mutandis". Às vezes as mudanças são de tal magnitude que deixam de guardar qualquer relação. Por exemplo: comparar a ação da radiação sobre os sais de uma emulsão fotográfica com a "obtenção" de imagens por microscopia de força atômica (ou de tunelamento).

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