Moléculas a toda a velocidade - A menor corrida de carros do mundo ocorre em um vácuo
Esta corrida não tem motores barulhentos nem manobras de ultrapassagem arriscadas; e a velocidade não é exatamente frenética, medida em nanómetros em vez de em quilómetros por hora. No entanto, a competição entre estes minúsculos participantes é incrivelmente emocionante, pois envolve o controle de moléculas, átomos e partículas subatômicas.
Uma corrida livre graças ao vácuo
A pista de corridas em questão tem centenas de nanômetros de comprimento e é feita de ouro puro. Além disso, a nanocorrida ocorre a temperaturas extremamente frias. Para que seja possível conduzir os concorrentes ao longo da pista de corridas, o próprio movimento das moléculas deve ser minimizado; portanto, o local de espera é resfriado a -269 °C usando nitrogênio líquido e hélio. Quase nada se desloca sozinho com temperaturas tão próximas ao zero absoluto.
Para proporcionar aos veículos uma corrida livre, a pista de corridas precisa estar completamente livre de átomos estrangeiros. Mesmo a menor contaminação como, por exemplo, uma molécula de oxigênio atmosférico, poderia fazer com que um nanoveículo saísse da pista. Para manter estas condições, o concurso ocorre num vácuo ultraelevado. Com a ajuda de bombas de vácuo turbo e capturadoras de íons, a pressão é reduzida para 10-11 mbar.
Átomos para marcar o percurso
A pista de corridas dourada é também cuidadosamente limpa antes da corrida: a sua superfície é bombardeada com íons e depois aquecida para garantir uma pista plana. Nanocientistas adicionam então átomos de ouro individuais para marcar o percurso dos veículos ao longo desta pista.
O próximo desafio é colocar os veículos moleculares no percurso sem destruí-los. Para tal, são aquecidos numa câmara preparatória até evaporarem. O candidato certo para a corrida é então selecionado a partir das moléculas que posteriormente assentem na superfície da pista de corridas dourada.
Detecção usando o fluxo do túnel
Os pequenos concorrentes, cada um com um tamanho aproximado de apenas 100 milésimas do diâmetro de um cabelo humano, não podem ser vistos usando microscópios óticos, pois o comprimento de onda da luz é muito grande. Por esta razão, as equipes de pesquisadores acompanham o que acontece na corrida usando um microscópio de varrimento com efeito de túnel. Nesta ferramenta, uma sonda eletricamente condutora, cuja extremidade é composta por um único átomo, é movida sobre a superfície da pista de corrida numa forma de grade, em intervalos de apenas alguns nanómetros.
Embora a extremidade da sonda e o objeto da investigação nunca entrem em contato, de acordo com as regras da mecânica quântica é criado um fluxo de túnel quando uma baixa tensão é aplicada. O volume deste fluxo está muito dependente da distância entre o objeto e a sonda. Ao visualizar a folha de ouro, a extremidade é controlada com uma precisão tal que a distância e o volume de fluxo permanecem sempre constantes. Isto permite aos cientistas criar um perfil de altura para a pista de corridas, com uma representação topográfica dos nanoveículos.
Oito horas até a linha de chegada
Na verdade, os investigadores não usam apenas a sonda para tornar visíveis os seus veículos de corrida, mas também para controlar os seus movimentos. Além disso, também usam o fluxo do túnel. Em Toulouse, este método foi utilizado para colocar alguns veículos moleculares num nível de energia mais elevado através da adição de um elétron. Os veículos voltaram a libertar de imediato esta energia convertendo-a em movimento. Outras equipes de corrida usaram a repulsão eletrostática dos eletrodos para avançar.
Também seria possível conduzir os veículos até ao seu destino mecanicamente usando a extremidade da sonda, mas durante a corrida isso só era permitido em caso de emergência. O time vitorioso da Suíça não precisava recorrer a este tipo de manipulação. O seu nanodragster suíço atingiu a possível velocidade recorde de 12 nanômetros por hora e foi o mais rápido a cruzar a linha de chegada dourada após aproximadamente oito horas. Tal como nas corridas normais, o sucesso foi celebrado com um banho de champanhe.
A Busch equipa instituições de pesquisa em todo o mundo com tecnologia a vácuo. Para apoiar jovens pesquisadores e criadores, a Busch patrocina universidades e grupos de trabalho para estudantes, fornecendo tecnologia de vácuo.
Os cientistas só podiam usar cerca de cem átomos para a construção dos seus veículos em miniatura. No entanto, não havia especificações definidas sobre como deveriam ser compostos ou sobre a sua aparência externa.
O princípio de um veículo de almofada de ar ganha
As carroçarias dos veículos fornecidos pelas seis diferentes equipes de pesquisadores foram certamente diversas: os nanoveículos da França, dos EUA e de uma colaboração americano-austríaca eram, de fato, semelhantes aos conhecidos concorrentes de quatro rodas, enquanto que o veículo do Japão era lembrado a um osso, e a Alemanha trouxe uma estrutura semelhante a um moinho de vento para a linha de partida. O projeto bem sucedido da Universidade de Basileia seguiu o princípio de um veículo de almofada de ar. A molécula plana é composta por quatro anéis de carbono dispostos em forma de Y. O motor da estrutura foi formado por três átomos de carbono, enquanto que um grupo de methyl é usado como spoiler dianteiro. No entanto, os nanocientistas da Basileia não desenvolveram a molécula especificamente para participar na corrida de veículos em miniatura: na pesquisa diária realizada pela equipe suíça, o nanodragster suíço funciona como um componente das células solares orgânicas.