Nanotecnologia
Redação do Site Inovação Tecnológica – 21/07/2025
(a) Oito pontes moleculares de carbazol ancoradas entre um par de fios metlicos e caracterizadas pela eletroluminescncia – a barra de escala de 30 nm. (b) Imagem ampliada do chip de molcula nica. (c) Prottipo do chip. (d) Fotografia da catlise por campo eltrico externo para a reao MBH em mltiplos dispositivos de molcula nica.
[Imagem: Chen Yang et al. – 10.1093/nsr/nwaf172]
Filmar reaes qumicas
Desde o incio da qumica, os cientistas sonham em observar todas as etapas das reaes qumicas. O problema que essas etapas ocorrem rpido demais para serem observadas com os instrumentos disponveis, o que inviabiliza a otimizao de processos vitais para a sntese de produtos qumicos, frmacos e materiais.
A tecnologia est progredindo rapidamente nos ltimos anos. H cerca de uma dcada, contamos com uma cmera capaz de filmar reaes qumicas, embora no em todos os detalhes. Mas a cmera mais rpida do mundo hoje j captura trilhes de quadros por segundo, e as inovaes so contnuas nessa rea.
A mais recente delas, anunciada agora, um chip feito a partir do grafeno, um sensor de imagem capaz de filmar reaes com resoluo de nanossegundos – 1.000 vezes mais rpido do que os mtodos existentes.
O grafeno permitiu construir eletrodos pontuais, nos quais uma nica molcula ancorada por meio de duas ligaes covalentes, criando um acoplamento de interface preciso que oferece uma estreita faixa dinmica de flutuao de corrente e uma alta tolerncia a ambientes de soluo, essencial para observar reaes qumicas em geral. Alm disso, a configurao de uma nica molcula permite monitorar em tempo real as taxas de reao, revelando o mecanismo inerente reao.
Usando essa tcnica, os pesquisadores capturaram intermedirios elusivos da reao de Morita-Baylis-Hillman (MBH), uma reao qumica de formao de ligaes de carbono amplamente utilizada, mas que ainda muito ineficiente.
Diagrama da molcula inserida no chip, mostrando o monitoramento eltrico com resoluo de nanossegundos. No canto inferior esquerdo est o mecanismo da reao MBH.
[Imagem: Chen Yang et al. – 10.1093/nsr/nwaf172]
Controle das reaes qumicas
O monitoramento em tempo real da reao feita pelo chip de grafeno revelou duas vias de transferncia de prtons: Uma rota coordenada de transporte (via cintica) e um processo dominante em etapas (via termodinmica).
Surpreendentemente, a reao apresentou um comportamento oscilatrio, induzido por ciclos de retroalimentao de energia no nvel de uma molcula nica – em outras palavras, o experimento essencialmente revelou a complexidade emergindo em escala molecular.
Mas aconteceu algo ainda mais interessante para a explorao prtica dessa inovao: Ao aplicar um campo eltrico atravs dos eletrodos do chip, a equipe conseguiu acelerar drasticamente a reao, atingindo uma frequncia de rotao de 5.000 reaes por segundo – um aumento enorme em relao aos mtodos convencionais.
E os pesquisadores foram alm, escalando essa abordagem pela integrao de mltiplos chips. Isto permitiu sintetizar mltiplos compostos em uma hora, com os produtos sendo caracterizados por espectros de massa, abrindo caminho para a fabricao qumica com elevada eficincia energtica – ao menos em escala de chip, por enquanto, o que j til o suficiente para a indstria farmacutica, por exemplo.
” como instalar cmeras de alta velocidade ao lado de molculas. Ao observar a dinmica das reaes diretamente, podemos projetar catalisadores e protocolos de sntese sustentveis de forma racional,” disse professor Xuefeng Guo, da Universidade de Pequim, na China.
Bibliografia:
Artigo: Nanosecond-scale single-molecule reaction dynamics for scalable synthesis on a chip
Autores: Chen Yang, Shuyao Zhou, Yilin Guo, Zexi Hou, Junhao Li, Zhirong Liu, Zitong Liu, Deqing Zhang, Yanwei Li, Kendall N Houk, Xuefeng Guo
Revista: National Science Review
Vol.: nwaf172
DOI: 10.1093/nsr/nwaf172
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