Uma olhada em alguns dos primeiros trabalhos de J. Robert Oppenheimer - o homem conhecido como o pai da bomba atômica.
O lançamento do filme "Oppenheimer", em julho de 2023, renovou o interesse pela vida do enigmático cientista J. Robert Oppenheimer. Embora Oppenheimer sempre seja reconhecido como o pai da bomba atômica, suas primeiras contribuições à mecânica quântica formam a base da química quântica moderna. Seu trabalho ainda informa como os cientistas pensam sobre a estrutura das moléculas hoje.
Logo no início do filme, proeminentes figuras científicas da época, incluindo os ganhadores do Nobel, Werner Heisenberg e Ernest Lawrence, cumprimentam o jovem Oppenheimer por seu trabalho inovador sobre moléculas. Como físico-químico, o trabalho de Oppenheimer sobre mecânica quântica molecular desempenha um papel importante tanto no ensino quanto na pesquisa.
Aproximação de Born-Oppenheimer
Em 1927, Oppenheimer publicou um artigo chamado "On the Quantum Theory of Molecules" com seu consultor de pesquisa Max Born. Este artigo delineou o que é comumente chamado de aproximação de Born-Oppenheimer. Embora o nome dê crédito a Oppenheimer e seu conselheiro, a maioria dos historiadores reconhece que a teoria é principalmente obra de Oppenheimer.
A aproximação de Born-Oppenheimer oferece uma maneira de simplificar o complexo problema de descrever moléculas no nível atômico.
Imagine que você deseja calcular a estrutura molecular ideal, os padrões de ligação química e as propriedades físicas de uma molécula usando a mecânica quântica. Você começaria definindo a posição e o movimento de todos os núcleos atômicos e elétrons e calculando as importantes atrações e repulsões de carga que ocorrem entre essas partículas na molécula.
Calcular as propriedades das moléculas fica ainda mais complicado no nível quântico, onde as partículas têm propriedades ondulatórias e os cientistas não conseguem identificar sua posição exata. Em vez disso, partículas como elétrons devem ser descritas por uma função de onda. Uma função de onda descreve a probabilidade do elétron estar em uma certa região do espaço. Determinar esta função de onda e as energias correspondentes da molécula é o que é conhecido como resolver a equação molecular de Schrödinger.
Infelizmente, esta equação não pode ser resolvida exatamente nem mesmo para a molécula mais simples possível, H₂⁺, que consiste em três partículas: dois núcleos de hidrogênio (ou prótons) e um elétron.
A abordagem de Oppenheimer forneceu um meio para obter uma solução aproximada. Ele observou que os núcleos atômicos são significativamente mais pesados que os elétrons, com um único próton sendo quase 2.000 vezes mais massivo que um elétron. Isso significa que os núcleos se movem muito mais lentamente que os elétrons, então os cientistas podem considerá-los como objetos estacionários enquanto resolvem a equação de Schrödinger apenas para os elétrons.
Este método reduz a complexidade do cálculo e permite aos cientistas determinar a função de onda da molécula com relativa facilidade.
Essa aproximação pode parecer um pequeno ajuste, mas a aproximação de Born-Oppenheimer vai muito além de apenas simplificar cálculos de mecânica quântica em moléculas. Na verdade, molda como os químicos veem as moléculas e as reações químicas. A aproximação de Born-Oppenheimer também influenciou como os cientistas pensam sobre as reações químicas. Durante uma reação química, os núcleos atômicos não são estacionários; eles se reorganizam e se movem. As interações eletrônicas guiam os movimentos dos núcleos formando uma superfície de energia, na qual os núcleos podem se mover ao longo da reação. Dessa forma, os elétrons conduzem a progressão da molécula por meio de uma reação química. Oppenheimer demonstrou que a maneira como os elétrons se comportam é a essência da química como ciência.
Química quântica computacional
Quando os cientistas visualizam moléculas, geralmente pensamos nelas como um conjunto de núcleos fixos com elétrons compartilhados que se movem entre os núcleos. Na aula de química, os alunos normalmente constroem modelos de "bola e bastão" que consistem em núcleos rígidos (bolas) que compartilham elétrons por meio de uma estrutura de ligação (bastões). Esses modelos são uma consequência direta da aproximação de Born-Oppenheimer.
No século desde a publicação da aproximação de Born-Oppenheimer, os cientistas melhoraram muito sua capacidade de calcular a estrutura química e a reatividade das moléculas.
Esse campo, conhecido como química quântica computacional, cresceu exponencialmente com a ampla disponibilidade de recursos computacionais de ponta mais rápidos e poderosos. Atualmente, os químicos usam a química quântica computacional para várias aplicações, desde a descoberta de novos produtos farmacêuticos até o design de fotovoltaicos melhores, antes mesmo de tentar produzi-los no laboratório. No centro de grande parte desse campo de pesquisa está a aproximação de Born-Oppenheimer.
Apesar de seus muitos usos, a aproximação de Born-Oppenheimer não é perfeita. Por exemplo, a aproximação frequentemente falha em reações químicas causadas pela luz, como na reação química que permite que os animais vejam a luz. Os químicos estão investigando soluções alternativas para esses casos. No entanto, a aplicação da química quântica possibilitada pela aproximação de Born-Oppenheimer continuará a se expandir e melhorar.
No futuro, uma nova era de computadores quânticos poderia tornar a química quântica computacional ainda mais robusta, realizando cálculos mais rápidos em sistemas moleculares cada vez maiores.