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VÍDEO: 36 Unidades incomuns de medição - mental_floss no YouTube (Ep.10)
Uma micrografia de varredura eletrônica do dispositivo de pesagem da molécula. Quando uma molécula aterra na porção em forma de ponte no centro, vibra numa frequência que indica a sua massa. Imagem via Caltech / Scott Kelberg e Michael Roukes
Quanto você acha que uma molécula pesa? Uma molécula, que é um único grupo de átomos ligados - os dois hidrogênios e um oxigênio que compõem H2O, por exemplo - é quase incompreensivelmente pequena. Uma mole de água, que é de aproximadamente 0, 64 onças, tem 602.214.078.000.000.000.000.000 de moléculas. Moléculas, em suma, são muito, muito, muito pequenas.
Até agora, os cientistas só podiam calcular a massa de grandes grupos de moléculas, ionizando-as (dando-lhes uma carga elétrica) e, em seguida, vendo o quão fortemente elas interagiam com um campo eletromagnético, uma técnica conhecida como espectrometria de massa. Eles não tinham como, no entanto, medir a massa de uma única molécula.
Mas ontem cientistas da Caltech anunciaram a invenção de um dispositivo que mede diretamente a massa de uma molécula individual. Como descrito em um artigo publicado na revista Nature Nanotechnology, o aparelho minúsculo é construído em torno de uma estrutura em forma de ponte que vibra em uma freqüência específica com base na massa da molécula em cima dela. Ao rastrear precisamente a frequência vibratória da ponte, eles podem determinar a massa exata da molécula.
"O avanço crítico que fizemos neste trabalho atual é que agora nos permite pesar moléculas - uma por uma - quando elas entram", diz Michael Roukes, o principal investigador do laboratório que produziu o artigo. "Ninguém nunca fez isso antes."
A olho nu, o dispositivo é essencialmente invisível - a escala na parte inferior da imagem do microscópio acima é de dois mícrons de comprimento, ou dois milionésimos de metro. A ponte vibratória no seu centro é tecnicamente conhecida como um ressonador do sistema nanoeletromecânico e está em desenvolvimento há mais de uma década.
Em trabalhos anteriores, publicados em 2009, os pesquisadores mostraram que podiam medir a massa de partículas pulverizadas no aparelho, mas com uma limitação: não era sensível o suficiente para medir apenas uma molécula de cada vez. Como a localização específica em que uma partícula aterrissou afetava a freqüência de vibração e os cientistas não tinham como saber exatamente onde isso estaria, precisavam aplicar várias centenas de partículas idênticas para encontrar uma média que revelasse a massa.
O avanço faz uso de um novo insight sobre a maneira como a freqüência de vibração da ponte muda quando uma molécula é pulverizada sobre ela. As vibrações ocorrem em dois modos simultaneamente: O primeiro modo é o balanço lado a lado, enquanto o segundo modo ocorre na forma de uma onda oscilante em forma de S que sobe e desce pela ponte. Ao analisar exatamente como cada um desses modos muda quando a molécula atinge o dispositivo, os pesquisadores descobriram que podiam determinar sua posição e, assim, sua massa exata.
No estudo, os pesquisadores demonstraram a eficácia da ferramenta medindo a massa de uma molécula chamada imunoglobulina M, ou IgM, um anticorpo produzido por células imunes no sangue e que pode existir em várias formas diferentes. Pesando cada molécula, eles foram capazes de determinar exatamente qual tipo de IgM ela era, insinuando potenciais aplicações médicas futuras. Um tipo de câncer conhecido como macroglobulinemia de Waldenström, por exemplo, é refletido por uma razão particular de moléculas de IgM no sangue de um paciente, então futuros instrumentos baseados nesse princípio poderiam monitorar o sangue para detectar desequilíbrios de anticorpos indicativos de câncer.
Os cientistas também imaginam esse tipo de dispositivo como uma ajuda para pesquisadores biológicos que investigam a maquinaria molecular dentro de uma célula. Uma vez que as enzimas que dirigem o funcionamento de uma célula são altamente dependentes de anexos moleculares em sua superfície, pesando precisamente proteínas em vários momentos e em diferentes tipos de células poderia nos ajudar a entender melhor os processos celulares.
A equipe até prevê que sua invenção poderia ter aplicações comerciais todos os dias. Monitores ambientais que rastreiam a poluição de nanopartículas no ar, por exemplo, poderiam ser ativados por matrizes dessas pontes vibratórias.
É importante ressaltar que, segundo os cientistas, o dispositivo foi construído usando métodos padrão de fabricação de semicondutores - o mesmo usado em circuitos elétricos comuns - para poder ser dimensionado para aparelhos que incluem centenas ou dezenas de milhares de sensores de moléculas únicas operando ao mesmo tempo. “Com a incorporação dos dispositivos feitos por técnicas de integração em larga escala, estamos no caminho certo para criar esses instrumentos”, diz Roukes.
