Fotografada a verdadeira forma dos átomos

Os livros de química normalmente incluem ilustrações de átomos, mas com ressalvas. Os desenhos mostram núcleos atômicos rodeados por orbitais de elétrons – esferas com contornos indistintos, halteres, tripés, e assim por diante. No entanto, essas figuras representam a probabilidade de se encontrar um elétron em determinado ponto ao redor do núcleo e não uma verdadeira “forma”. Agora, pela primeira vez, pesquisadores conseguiram uma imagem dos orbitais de um elétron e mostram que, de certa forma, os átomos, na verdade, se parecem com as imagens dos livros didáticos.

Foram Igor Mikhailovskij e colaboradores do Instituto Kharkov de Física e Tecnologia, na Ucrânia, que conseguiram obter as imagens das formas dos orbitais em átomos de carbono ao aperfeiçoarem uma antiga técnica de imageamento, chamada microscopia de emissão de campo.

Os pesquisadores criaram uma cadeia de átomos de carbono, penduraram-na em uma ponta de grafite, e então a colocaram em frente a uma tela de detecção. Quando aplicaram um campo elétrico de milhares de volts entre o grafite e a tela, elétrons fluíram um por um do grafite através da cadeia de carbono até o campo elétrico tê-los puxado para fora do último átomo da cadeia. A partir dos pontos onde os elétrons pararam na tela os investigadores puderam rastrear os pontos de onde deixaram seus orbitais no último átomo. As partes mais “densas” das nuvens de probabilidade têm uma chance maior de emitirem um elétron, e a informação de vários elétrons combinados formou uma imagem das nuvens. “Temos, na verdade, uma imagem de átomos individuais”, observa Mikhailovskij.

As imagens parecem com as dos livros, embora apareçam apenas os orbitais mais externos, o que encobre os orbitais internos e os núcleos. Ao alterar a intensidade da corrente, a equipe conseguiu mudar a energia do último elétron mais externo do átomo de um baixo nível para alto. Como prediz a teoria, a forma do orbital mudou de esférica para de haltere. O grupo também observou elétrons mudando espontaneamente de um estado para outro – segundo Mikhailovskij, por motivos ainda não esclarecidos – e formas estranhas que podem ser resultado da presença de impurezas, na forma de outros átomos como o hidrogênio. Os resultados se encontram na edição de outubro da Physical Review B.

Cientistas já haviam obtido imagens de átomos individuais utilizando ferramentas como microscópios eletrônicos de transmissão (que emitem elétrons através de um objeto e medem como se desviam) ou microscópios de tunelamento (que “sentem” a forma de uma amostra com uma ponta microscópica). Os átomos, entretanto, apareciam geralmente como pouco mais que manchas. A microscopia de emissão de campo, por outro lado, isola o elétron do próprio objeto que está sendo observado. De acordo com Alex Zettl, da University of California, em Berkeley, essa diferença pode significar uma chance menor de distorções e má interpretação do sinal. “É como ouvir a palavra dita diretamente pelo orador original e não por meio de um tradutor ou intérprete.”

Além de confirmar as concepções artísticas dos livros didáticos, a técnica pode esclarecer as propriedades de cadeias de átomos de carbono que são ainda quase completamente desconhecidas. Físicos suspeitam que possam ser excelentes condutoras, mecanicamente fortes e úteis no futuro em computadores em escala atômica.