Átomos à vista

O microscópio de tunelamento eletrônico, que deu o Prêmio Nobel de Física a seus inventores, permite observar pela primeira vez a estrutura básica da matéria

Por Da Redação SEGUIR SEGUINDO
Atualizado em 31 out 2016, 18h37 - Publicado em 31 jan 1989, 22h00

Roberto Garcia, de Washington, com Martha San Juan França

Quando a tela do computador começou a mostrar átomo por átomo a combinação da molécula de benzeno, o pequeno grupo de cientistas do laboratório de pesquisas básicas da IBM em Almaden, na Califórnia, ficou eufórico. “Aquele foi um dos grandes momentos da minha vida”, recorda o japonês Hiroko Ohtahi, um dos responsáveis pela proeza junto com seus colegas Bob Wilson, Shirley Chiang e Mathew Mate. Depois de meses de paciente preparação, os quatro conseguiram produzir, com a ajuda do mais sofisticado microscópio inventado pelo homem, o scanning tunneling microscope (STM), chamado no Brasil de microscópio de tunelamento eletrônico, a primeira foto completa da molécula de benzeno – em cores e três dimensões.

Curiosamente, a imagem confirmava um sonho do químico alemão August Kekule (1829 – 1896): os seis átomos de carbono mais os seis de hidrogênio que compõem a estrutura química do benzeno lembram a forma de um bolinho. Alguns anos antes de Kekule nascer, já se conheciam os componentes desse solvente, muito usado hoje em dia como parte da gasolina e de lubrificantes. Mas a forma como os átomos estavam dispostos na molécula só tinha aparecido em sonho do químico alemão – ele os tinha visto como uma cobra enrolada. No início do século, ela foi determinada de maneira indireta por experiências químicas e análises de raios X. Mas só em julho do ano passado, quando se realizou a experiência de Almaden, se conseguiu ver realmente o desenho da molécula. Confirmou-se assim, mais uma vez, a vocação do microscópio, um aparelho que nos últimos cem anos esteve associado a grande parte do progresso alcançado pela ciência.

Desta vez, a descoberta deveu-se a um tipo tão novo de microscópio que a sua contribuição à pesquisa básica e aplicada está apenas começando. Em 1981, quando o STM foi inventado, desencadeou-se uma corrida para dar forma áquilo que os gregos já conheciam desde o século V a. C., mas que nunca havia sido visto – os átomos, partículas básicas de todas as coisas. Com esses antecedentes, não foi surpresa para ninguém que o alemão Gerd Binnig e o suíço Heinrich Rohrer, pesquisadores da IBM na Suíça e inventores do microscópio de tunelamento eletrônico, ganhassem o Prêmio Nobel de Física em 1986.

Junto com Binnig e Rohrer, também foi premiado o físico alemão Ernest Ruska (1906-1988), que inventou o microscópio eletrônico em 1931, instrumento precioso ainda hoje na análise dos materiais. Antes de Ruska, os microscópios óticos, que utilizam lentes de cristal e luz visível, conseguiam aumentar até 2 500 vezes um objeto, o suficiente para se verem bactérias e células. Ruska conseguiu com seu aparelho – que usa, em vez de luz, feixes de elétrons – ampliar 20 mil vezes as amostras. Alguns tipos de vírus puderam então materializar-se nas telas do equipamento.

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Nessa corrida para ver o muitíssimo pequeno, o microscópio de tunelamento eletrônico popularizou uma unidade de referência criada no século XIX – o angstrom, ou 1 décimo de bilionésimo de metro – em homenagem ao físico sueco Anders Angstrom (1814-1874). Geralmente, um átomo tem de 2 a 3 angstrom de diâmetro. Com os microscópios eletrônicos se consegue ver, ainda que com pouca clareza, algumas moléculas grandes. As mais interessantes são as proteínas e o ácido desoxirribonucléico (DNA),encontrado nas células que constituem a bagagem genética dos seres vivos. Mas, como os aparelhos usam um feixe de elétrons para bombardear os objetos que estudam, às vezes as moléculas são danificadas. E as estruturas dessas moléculas ficam borradas, portanto difíceis de distinguir.

Os novos aparelhos inventados pelos cientistas da IBM não produzem uma imagem emitindo feixes de elétrons sobre uma amostra – logo, ela não se altera. Eles tampouco usam lentes nem precisam de iluminação especial. O princípio de funcionamento lembra o de uma agulha de toca-discos mas em escala infinitamente menor. Na extremidade, a agulha tem a espessura de apenas um átomo. Ela percorre a superfície da amostra sem nunca tocá-la. Mas, graças a um sistema mecânico de precisão, a distância que separa a agulha da amostra é quase imperceptível, apenas 5 a 10 angstrom. Se vigorassem as leis da Física clássica, essa distância funcionaria como um muro: os elétrons acumulados na ponta da agulha não teriam energia suficiente para vencê-lo.

Mas as descobertas da Mecânica quântica feitas em 1900 pelo físico alemão Max Planck (1858-1947) mostraram que em determinadas circunstâncias, os elétrons podem penetrar barreiras sem ter energia suficiente para isso (SUPERINTERESSANTE n.º 3, ano 1). É como se escavassem pouco a pouco um túnel na barreira de força até ultrapassá-la. Os físicos chamam esse fenômeno de efeito túnel. Para que ocorra, basta que a agulha encontre no caminho uma elevação tão pequena como a décima parte do tamanho de um átomo. Ao saltar da agulha para essa ínfima elevação, o elétron gera uma corrente elétrica que aparece como um ponto luminoso na tela do computador acoplado ao microscópio.

O movimento de vaivém da agulha mostra em detalhes a superfície da amostra. Enquanto a ponta passa sobre as protuberâncias, a corrente aumenta. Se a ponta passa por um buraco, a corrente diminui. O resultado desse percurso é um mapa da trajetória da ponta da agulha, onde as protuberâncias são os átomos e os buracos, as lacunas entre eles. O computador mostra o resultado final aumentado 100 milhões de vezes em branco e preto, com dezesseis níveis de cinza ou em 106 tonalidades de cores artificiais. Ele também pode filtrar, corrigir ou sombrear a imagem. Gerd Binnig disse a SUPERINTERESSANTE, nos Estados Unidos, que sua invenção já permitiu compreender muito melhor a estrutura do silício, o material usado na fabricação dos milimétricos chips de computador.

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Aliás, não foi por acaso que o microscópio de tunelamento eletrônico nasceu nos laboratórios da IBM, o maior fabricante mundial de computadores. É através de sua superfície que materiais como o silício trocam partículas, energia e informações com o ambiente. Para compreender processos como a corrosão e a oxidação de metais, ou o resultado de reações químicas é fundamental identificar os componentes da superfície do material. Binnig diz que o microscópio de tunelamento também tem sido usado para mapear a estrutura eletrônica da superfície de metais e ligas, tendo em vista o estudo da supercondutividade, a propriedade que alguns materiais possuem de transportar eletricidade sem perda de energia, o que pode aumentar a capacidade dos computadores mais alguns bilhões de vezes

No Brasil, esse microscópio ainda é uma novidade. Segundo o engenheiro químico Pedro Kiyohara, do Laboratório de Microscopia Eletrônica da Universidade de São Paulo , “como todo aparelho novo, o STM tem um custo muito elevado e suas aplicações se restringem a campos particulares de pesquisa”. Na Universidade da Califórnia, em Santa Bárbara, por exemplo, o físico Paul Hansma descobriu grânulos de ferrugem se formando num pedaço de aço inoxidável que tinha ficado quinze minutos imerso em água do mar. Conforme o cientista americano, “nenhum outro método de detecção poderia ter identificado o processo de corrosão num estágio tão inicial”.

No começo, o microscópio inventado por Binning e Rohrer tinha um problema: não funcionava com objetos que não conduzem eletricidade. Isso era um sério obstáculo ao seu uso no estudo de moléculas orgânicas e, portanto, em Medicina e Biologia. Para aumentar a dificuldade, essas moléculas são muito menos rígidas do que, por exemplo, as moléculas metálicas e, mesmo preparadas adequadamente, nem sempre ficam paradas no lugar. O obstáculo foi superado quando os inventores do STM e colegas seus na Suíça testaram amostras de moléculas orgânicas congeladas e cobertas com uma camada finíssima de metal

Algumas das imagens mais espetaculares produzidas pelo microscópio de tunelamento foram do próprio DNA. A estrutura desse componente essencial à vida, bastante semelhante a uma escada em espiral, havia sido prevista teoricamente na década de 50 pelos bioquímicos James Watson, Francis Crick e Maurice Walkins, que ganharam o prêmio Nobel de 1962 por isso. Mas a estrutura do DNA só foi avistada com nitidez no início do ano passado pelo biólogo Giorgio Travaglini, do Instituto Suíço de Tecnologia. Agora, seu colega americano Stuart Lindsay, da Universidade do Arizona, pretende mapear os degraus da escada do DNA para descobrir como as proteínas se ligam às moléculas para regular a atividade genética.

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Outro pesquisador, Joe Zasadzinski, da Universidade da Califórnia, em Santa Bárbara, fotografou a substância bioquímica fosfolipídica que permite ao pulmão contrair-se e expandir-se à medida que se respira. Muitos bebês prematuros nascem com insuficiência respiratória por falta dessa substância. Um estudo mais profundo do tecido pulmonar a partir das imagens no microscópio pode ser o primeiro passo para a invenção de um substituto sintético ou para algo que estimule o organismo a produzi-la.

Juntando toda a informação obtida por esse microscópio revolucionário, surge uma nova e surpreendente visão da vida em escala menos que mínima. Com o passar do tempo, os cientistas estarão descobrindo outros campos de aplicação do microscópio na Medicina, Física e Biologia. Como observa Binnig, com quem tudo começou: “Fico admirado com as descobertas que estão sendo feitas quase diariamente. Estamos numa era privilegiada”.

Para saber mais:

Nanotecnologia no coração da matéria

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(SUPER número 5, ano 6)

Um mundo cada vez menor

A bióloga Marina Silveira gosta de ver tudo muito pequeno. Isso é necessário ao seu trabalho no laboratório de Microscopia Eletrônica do Instituto de Física da Universidade de São Paulo. Ali se realizam todos os dias testes de controle de qualidade e análises de composição química de metais, vidros, fibras têxteis, cerâmicas e também material orgânico – como os microturbelários, seres que vivem nas raízes de plantas de água doce e que são objeto especial de estudo da bióloga. “Para se ter uma idéia do que estamos observando, imagine alguma coisa que exista às centenas de milhares numa xícara de café. E que, apesar de ter 1 ou 2 milímetros de tamanho, pode ser ampliada 200 mil vezes, a ponto de vermos detalhes do seu corpo”, compara.

O Laboratório de Microscopia da USP possui três microscópios eletrônicos – dois chamados de transmissão e um de varredura -, além de dois microscópios óticos, sendo um apenas para análise da superfície de metais. Os microscópios óticos consistem basicamente em uma fonte de luz e três conjuntos de lentes. A lente condensadora focaliza a luz sobre o objeto, cuja imagem aumentada se forma por meio da ação combinada das lentes objetiva e ocular. Quando se vê um objeto no microscópio é porque seus contornos constituem um obstáculo à passagem das ondas luminosas, absorvendo algumas e permitindo a difusão de outras. O comprimento de onda da luz visível é de 0,0005 centímetro e os maiores detalhes visíveis sob um microscópio de luz devem ter no mínimo uma separação de 0,000025 centímetro. Com os microscópios óticos, inventados no século XVII pelo comerciante de tecidos holandês Antonie van Leeuwenhoek (1632-1723), ainda hoje se faz análise de sangue, de componentes de ligas metálicas e o estuado de células animais e vegetais.

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No Laboratório de Microscopia da USP, eles são auxiliares dos microscópios eletrônicos, que têm um alto poder de resolução. Isso porque, em vez de luz, eles usam feixes de elétrons, cujo comprimento de onda é até mil vezes menor. O físico alemão Ernst Ruska, inventor do microscópio eletrônico, baseou seu trabalho num fenômeno previsto pelo físico francês Louis de Broglie (1892-1987) nos anos 20: utilizando um campo. magnético de determinadas características, é possível concentrar um feixe de elétrons da mesma maneira que a luz pode ser concentrada com uma lente de vidro.

Os microscópios eletrônicos de transmissão ampliam 1 milhão de vezes, mas o normal são aumentos de até 500 mil vezes. Na USP, servem, por exemplo, para detectar alterações na estrutura dos minerais que compõem a argila usada na indústria de cerâmica. Outro tipo de microscópio eletrônico, o de varredura, só observa a superfície dos materiais, mas tem uma profundidade de campo capaz de ampliar as amostras em três dimensões. “É muito usado em Biologia, em que as propriedades dos materiais orgânicos – formados por moléculas complexas ligadas umas às outras – só podem ser vistas em estruturas tridimensionais”, explica Marina Silveira.

O aperfeiçoamento da fotografia também ajudou a melhorar os microscópios. Atualmente, eles têm câmeras automáticas controladas por microcomputadores que vão registrando as imagens à medida que se formam diante das lentes. A automação permite ajustamentos a diferentes condições de luz, foco, contraste e fluorescência. Programas de computadores permitem isolar certas características indesejáveis da imagem produzida pelo microscópio e eliminá-las, deixando visível apenas as que se quer estudar.