Moléculas a toda a velocidade - A menor corrida de carros do mundo ocorre em um vácuo

Moléculas a toda a velocidade - A menor corrida de carros do mundo ocorre em um vácuo

Os nanoveículos são pequenos, compostos por uma única molécula. Quando este “carro de corrida” participou numa corrida há algumas semanas em Toulouse, França, foi conduzido em condições extremas: num vácuo ultra elevado e a temperaturas próximas ao zero absoluto.
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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.


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