Insight sobre o movimento molecular em superfícies em nanoescala

Durante anos, os cientistas ficaram intrigados com a forma como as moléculas se movem através das superfícies. O processo é crítico para inúmeras aplicações, incluindo catálise e fabricação de dispositivos em nanoescala.

Agora, usando experimentos de espectroscopia de nêutrons realizados no Instituto Laue-Langevin (ILL) e modelos teóricos avançados e simulações computacionais, uma equipe liderada por Anton Tamtögl da Universidade de Tecnologia de Graz revelou o movimento único da trifenilfosfina (PPh₃) moléculas em superfícies de grafite, um comportamento semelhante ao de um módulo lunar nanoscópico.

O trabalho está publicado na revista Química das Comunicações.

Na verdade, PPh₃ as moléculas exibem uma forma notável de movimento, rolando e traduzindo de maneiras que desafiam a compreensão anterior. Este movimento semelhante ao do módulo lunar parece ser facilitado por sua geometria única e ligação de três pontos com a superfície.

“Investigar o mundo complexo do movimento molecular nas superfícies de grafite tem sido uma jornada emocionante”, revela Anton Tamtögl. “Medições e simulações revelaram um movimento sofisticado e uma ‘dança’ das moléculas, proporcionando-nos uma compreensão mais profunda da dinâmica da superfície e abrindo novos horizontes para a ciência dos materiais e a nanotecnologia.”

A trifenilfosfina é uma molécula importante para a síntese de compostos orgânicos e nanopartículas com inúmeras aplicações industriais. A molécula exibe uma geometria peculiar: PPh₃ é piramidal com um arranjo semelhante a uma hélice de seus três grupos cíclicos de átomos.

Os nêutrons oferecem possibilidades únicas no estudo da estrutura e dinâmica dos materiais. Numa experiência típica, os neutrões espalhados pela amostra são medidos em função da mudança na sua direção e energia. Devido à sua baixa energia, os nêutrons são uma excelente sonda para estudar excitações de baixa energia, como rotações moleculares e difusão. As medições de espectroscopia de nêutrons foram realizadas no ILL Instruments IN5 (espectrômetro TOF) e IN11 (espectrômetro spin-eco de nêutrons).

“É incrível ver como os poderosos espectrômetros do ILL nos permitem acompanhar a dinâmica desses sistemas moleculares fascinantes, mesmo que a quantidade de amostra seja pequena”, diz o cientista do ILL, Peter Fouquet. “Os feixes de nêutrons não destroem essas amostras sensíveis e permitem uma comparação perfeita com simulações de computador”.

O estudo mostra que o PPh₃ as moléculas interagem com a superfície do grafite de uma maneira que lhes permite mover-se com barreiras de energia surpreendentemente baixas. O movimento é caracterizado por rotações e translações (movimentos de salto) das moléculas. Enquanto as rotações e o movimento intramolecular dominam até cerca de 300 K, as moléculas seguem um movimento de salto translacional adicional através da superfície de 350-500 K.

A compreensão dos mecanismos detalhados do movimento molecular em nanoescala abre novos caminhos para a fabricação de materiais avançados com propriedades personalizadas. Além do interesse fundamental, o movimento do PPh₃ e compostos relacionados em superfícies de grafite é de grande importância para aplicações.