Pesquisa dá origem a novo campo de estudo na física molecular

Conceito teórico sobre ionização de gases nasce de parceria entre pós-doutorando do IFGW e cientistas alemães

No universo, átomos e moléculas são alvo de radiação o tempo todo – vinda, por exemplo, do sol. Quando a quantidade de energia recebida é suficiente, as partículas (átomos ou moléculas) podem passar a um estado de excitação eletrônica, no qual interagem transferindo energia para a partícula vizinha – que, por sua vez, pode ser transformada em um íon (átomo ou molécula eletricamente carregado). Acreditava-se que esse processo causador da ionização, denominado decaimento coulombiano interatômico/intermolecular (ICD), ocorria apenas em ambientes líquidos, sólidos e clusters (átomos e/ou moléculas agregados). No entanto, não havia um conceito que relacionasse a produção de íons em ambientes gasosos ao ICD. O enigma foi elucidado em uma pesquisa conduzida pelo físico Alan Guilherme Falkowski, na qual foi estabelecida a teoria que demonstra a ocorrência desse processo também na ionização de gases.

Pós-doutorando do Instituto de Física Gleb Wataghin (IFGW) da Unicamp, Falkowski foi orientado pelo próprio autor do conceito de ICD, o cientista Lorenz S. Cederbaum, docente da universidade alemã de Heidelberg – onde a pesquisa foi realizada. O projeto também contou com a participação do físico-químico Alexander I. Kuleff, professor da mesma universidade. Juntos, os três detalham a construção da nova teoria em artigo científico publicado recentemente no periódico Journal of the American Chemical Society, referência mundial nos campos da química e da físico-química. O estudo teve apoio financeiro da Bolsa Estágio de Pesquisa no Exterior (Bepe), concedida pela Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (Fapesp).

O advento da teoria inaugura um novo campo de pesquisa em física molecular. “É uma área dentro do estudo da interação da radiação com a matéria, para investigar como ela acontece e quais as suas consequências”, diz Falkowski. Desde que o anúncio foi feito, o interesse de pesquisadores em entender o conceito para realizar experimentos surpreendeu os autores do trabalho. “Essa área está entre as mais estudadas na física molecular atualmente. Nós demos uma nova perspectiva sobre o que ocorre nos ambientes gasosos e sobre como se dão efeitos que não eram esperados”, justifica o físico.

Saber como íons são produzidos em gases pode ser útil, futuramente, para estudos dedicados à composição molecular de nebulosas e atmosferas de planetas, prevê o pesquisador. “Por ser uma pesquisa de base, é difícil saber quais serão as aplicações imediatas, mas se for pensar em ambientes cósmicos, isso pode ajudar as gerações que virão a entender por que existem certas moléculas nos lugares em que não seriam esperadas. O mecanismo que descrevemos pode ter sido responsável, por exemplo, pela geração de moléculas no início do universo”, vislumbra.

O caminho até a solução

O surgimento de íons no cenário pesquisado era observado empiricamente desde a década de 1960, quando os primeiros experimentos bem-sucedidos foram realizados. Desde então, tentava-se sem sucesso chegar a uma explicação teórica. Já se sabia, conta o pós-doutorando, que o mecanismo ICD que ocorre em ambientes líquidos, clusters e sólidos depende fortemente da distância entre os átomos ou moléculas nessas situações, condição necessária para que a transferência de energia seja eficiente e a ionização aconteça. Esse processo é essencial na natureza para a realização da fotossíntese, entre outros fenômenos, e na medicina serve de base para o desenvolvimento de tecnologias como a radioterapia.

Acreditava-se que, em ambientes gasosos, a produção de partículas ionizadas não teria relação com o ICD porque, nesse caso, a distância entre átomos e moléculas é maior, o que enfraqueceria a interação e inviabilizaria a produção de íons. No entanto, com o passar do tempo, essa ideia perdeu força graças a experimentos práticos, enquanto ganhava espaço a hipótese que relacionava o ICD à presença de íons em gases. Faltava, contudo, um modelo teórico que confirmasse a suspeita.

“A gente sabia que a teoria para sólidos e líquidos não era suficiente para explicar o evento. O pessoal reportava a observação de íons produzidos em ambientes gasosos e atribuía isso a possíveis colisões entre partículas, mas estimamos que era praticamente improvável que uma colisão produzisse esse tipo de efeito, porque as partículas ficam muito afastadas, e o tempo para se encontrarem é muito maior do que o da geração de íons”, expõe Falkowski.

Para elaborar a teoria, foi necessário descobrir a equação matemática correta, o que implica identificar os processos físicos e químicos envolvidos e como eles se relacionam. É como se, para montar um quebra-cabeças, fosse preciso descobrir, antes, quais são as peças e o que fazer com elas. “A gente fez algumas deduções matemáticas para chegar a equações possíveis – que dizem como o número de partículas varia no tempo, quantas foram excitadas e ionizadas e como essa probabilidade se aplica a trilhões de partículas”, diz o físico. “Então, o Cederbaum me propôs tentar corrigir essa equação incluindo também o efeito de retardo, justamente devido à existência da distância. Mas a gente não tinha ideia de como ele poderia ser usado.”

O conceito de efeito de retardo, de acordo com Falkowski, deriva da teoria de eletrodinâmica quântica e da teoria da relatividade restrita de Albert Einstein. É ele que explica por que a interação entre átomos e moléculas dispersos em um ambiente pode acontecer, determinando que, quando uma partícula está muito distante da outra – condição típica em ambientes gasosos –, essa interação não é instantânea. “Pensando em questões práticas, é o mecanismo que estende o alcance da interação. Com a inclusão na equação, a interação ficou mais longa”, resume o pesquisador. Logo, é graças ao efeito de retardo que o ICD promove a geração de íons também nesses cenários.

Definida a equação, era necessário colocá-la à prova. Falkowski realizou uma série de testes computacionais em que simulou a emissão de energia em trilhões de partículas para checar quantos íons seriam produzidos – e como isso se daria. Esses experimentos foram conduzidos no cluster computacional de alto desempenho Coaraci, projeto da Fapesp sediado no IFGW. “A gente usou uma linguagem de programação chamada Fortran, que é bastante utilizada para física, matemática e engenharia, justamente por trabalhar com números muito grandes. E assim a gente verificou que os íons são produzidos exatamente por causa do retardo, um mecanismo diferente do que ocorre nas fases líquida e sólida.”