Luz e moléculas

Processos moleculares induzidos pela luz desempenham um papel fundamental em vários mecanismos biológicos básicos, como na visão, no controle da acidez do meio celular ou na fotoestabilidade do DNA.

Quando a luz é absorvida por uma molécula tal como o retinal, presente em nossa retina, ela é instantaneamente transformada em energia eletrônica. Os núcleos atômicos então reagem à este novo estado dos elétrons, mudando de posição num processo de isomerização.

Após absorver a luz, o retinal muda sua geometria disparando o sinal para o cérebro.

No caso da visão, é esta isomerização do retinal, mudando sua orientação em relação a opsina, a proteína que o envolve, que dispara o sinal da informação visual em direção ao cérebro.

Durante a isomerização, que ocorre numa escala de 10 a 1000 fs (1 fs ou femtosegundo = 10^-15 s), e por isto chamada ultra-rápida, a enegia excedente nos elétrons pode se converter em vibração do núcleos, com os elétrons voltando a ter sua energia inicial. Em tempos mais longos, na escala de dezenas ou centenas de picosegundos (1 ps = 1000 fs), esta energia dos núcleos é dissipada para o ambiente em torno da molécula.

Esta conversão ocorre por meio de interseções cônicas, que são determinadas geometrias moleculares nas quais a energia potencial do estado fundamental da molécula se torna igual àquela do estado excitado.

O estudo dos processos moleculares induzidos pela luz é uma rica e fascinante área de pesquisa teórica e experimental, formando uma interface entre a física, a química e a biologia.

Em particular, meus interesses se concentram nos seguintes pontos: 

• Determinação dos estados moleculares eletrônicos excitados. 

• Localização das interseções cônicas. 

• Simulação dos movimentos iniciais que a molécula faz após a absorção da luz.

O primeiro ponto é realizado por meio de cálculos de estrutura eletrônica usando métodos de química quântica. O trabalho aqui é resolver a equação de Schrödinger usando a aproximação de Bohr-Oppenheimer (BO).

O segundo é uma extensão do primeiro para regiões nas quais a aproximação BO perde a validade e temos que obter os chamados acoplamentos não-adiabáticos.

O últimos ponto é estudado resolvendo as equações de Newton para os núcleos e a equação de Schrödinger dependente do tempo para os elétrons. Desta forma é possível obter o processo de isomerização da molécula e a probabilidade dela transferir a energia dos elétrons para os núcleos.    

Para uma lista completa das minhas publicações nas áreas de física atômica e molecular, visite o site http://homepage.univie.ac.at/mario.barbatti/. Neste site você poderá também baixar vários filmes mostrando a dinâmica dos sistemas que estamos etudando atualmente.