Moléculas a toda a velocidade - A corrida de carros mais pequena do mundo ocorre no vácuo

Moléculas a toda a velocidade - A corrida de carros mais pequena do mundo ocorre no vácuo

Os nanoveículos são minúsculos, compostos por uma única molécula. Quando este tipo de "carro de corrida" participou numa corrida há algumas semanas em Toulouse, França, foi conduzido em condições extremas: num ultra-alto vácuo e a temperaturas próximas do zero absoluto.
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Esta corrida não tem motores barulhentos nem manobras de ultrapassagem arriscadas; e a velocidade não é exatamente frenética, e é medida em nanómetros em vez de quilómetros por hora. No entanto, a competição entre estes minúsculos participantes é excecionalmente emocionante, pois envolve o controlo de moléculas, átomos e partículas subatómicas.

Uma corrida livre graças ao vácuo

A pista de corridas em questão tem centenas de nanómetros de comprimento e é feita de ouro puro. Além disso, a nanocorrida é realizada a temperaturas extremamente baixas. Para que seja possível conduzir os participantes ao longo da pista de corridas, o movimento próprio das moléculas deve ser minimizado, pelo que o local de espera é arrefecido a -269 °C usando azoto líquido e hélio. Quase nada se desloca sozinho com temperaturas tão próximas do zero absoluto. 

Para proporcionar aos veículos uma corrida livre, a pista de corridas precisa de estar completamente livre de átomos estranhos. Mesmo a menor contaminação como, por exemplo, uma molécula de oxigénio atmosférico, poderia fazer com que um nanoveículo se despistasse. Para manter estas condições, o evento ocorre num vácuo ultra elevado. Com a ajuda de bombas de vácuo turbo e bombas de iões, 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 iões e depois aquecida para garantir que está 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 os destruir. 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. 

Deteção através do caudal do túnel

Os pequenos concorrentes, cada um com um tamanho aproximado de apenas 0,01 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, os investigadores acompanham o que acontece na corrida usando um microscópio de varrimento com efeito de túnel. Neste equipamento, uma sonda eletricamente condutora, cuja extremidade é composta por um único átomo, é movida sobre a superfície da pista de corrida numa forma de grelha, em intervalos de apenas alguns nanómetros. 

Embora a extremidade da sonda e o objeto da investigação nunca entrem em contacto, de acordo com as regras da mecânica quântica é criado um fluxo de túnel quando uma baixa tensão é aplicada. O volume deste caudal é muito dependente da distância entre o objeto e a sonda. Ao varrer a folha de ouro, a extremidade é controlada com uma precisão tal que a distância e o volume de caudal 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 à linha de chegada

Na verdade, os investigadores não usam a sonda apenas para tornar visíveis os seus carros de corrida, mas também para controlar os seus movimentos. Além de que também usam o caudal do túnel. Em Toulouse, este método foi utilizado para colocar alguns veículos moleculares num nível de energia mais elevado através da adição de um eletrão. Os veículos voltaram a libertar de imediato esta energia convertendo-a em movimento. Outras equipas usaram a repulsão eletrostática dos elétrodos para avançar.

Também seria possível conduzir mecanicamente os veículos até ao seu destino usando a extremidade da sonda, mas durante a corrida isso só era permitido em caso de emergência. A equipa vitoriosa suíça não precisou de recorrer a este tipo de manipulação. O seu nanodragster atingiu a velocidade recorde de 12 nanómetros por hora e foi o mais rápido a cruzar a linha de chegada após aproximadamente oito horas. Tal como nas corridas normais, o sucesso foi celebrado com um banho de champanhe.

A Busch equipa instituições de investigação em todo o mundo com tecnologia de vácuo. Para apoiar jovens investigadores e criadores, a Busch patrocina universidades e grupos de trabalho de estudantes, fornecendo tecnologia de vácuo.


Os cientistas só podiam usar cerca de cem átomos na 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 vence

As carroçarias dos veículos apresentados pelas seis equipas de investigadores foram certamente diversas: os nanoveículos de França, dos EUA e de uma colaboração austro-americana eram, de facto, semelhantes aos veículos de quatro rodas, enquanto que o veículo do Japão assemelhava-se ao formato de um osso, e a Alemanha trouxe uma estrutura semelhante a um moinho de vento para a grelha de partida. O projeto bem sucedido da Universidade de Basileia seguiu o princípio de um veículo de almofada de ar. A molécula plana era composta por quatro anéis de carbono dispostos em forma de Y. O motor da estrutura era formado por três átomos de carbono, enquanto que um grupo de metilo foi usado como spoiler dianteiro. No entanto, os nanocientistas de Basileia não desenvolveram a molécula especificamente para participar na corrida de veículos em miniatura: na investigação diária realizada pela equipa suíça, o nanodragster suíço funciona como um componente das células solares orgânicas.


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