O que é uma ressonância de rotação eletrônica?

A ressonância de rotação eletrônica (VHS) é uma forma de espectroscopia usada em materiais paramagnéticos - materiais que se tornam magnéticos quando expostos a um campo magnético externo. A ESR também é chamada de ressonância paramagnética eletrônica, ou EPR. A ressonância de spin eletrônico tem uma variedade de aplicações em química e biologia, e ainda tem usos em áreas como a computação quântica.

Um elétron carrega uma carga e gira. Por isso, induz um momento magnético. Se colocado em um campo magnético externo, o momento magnético do elétron se alinhará com a direção do campo magnético. Também é possível que o elétron se alinhe na direção oposta ao campo magnético, mas isso requer mais energia e não é o estado natural do elétron. Esta é a base científica para a ressonância de rotação eletrônica.

Com a ESR, uma substância com moléculas que possuem elétrons extras, ou não emparelhados, é colocada em um campo magnético e a energia, geralmente na forma de microondas, é aplicada a ele. Os elétrons não emparelhados absorvem a energia eletromagnética e se movem para um estado de energia mais alto, realinhando seus momentos magnéticos para ficarem opostos ao campo magnético aplicado externamente. A frequência da energia absorvida pelos elétrons indica a estrutura química da molécula à qual eles estão ligados. Dessa forma, a ressonância de rotação eletrônica pode ser usada para determinar a composição química de diferentes materiais.

É fundamental que a substância tenha elétrons emparelhados. Isso ocorre porque elétrons emparelhados, de acordo com o Princípio de Exclusão de Pauli, terão giros em direções opostas e, portanto, nenhum momento magnético líquido. Esses materiais são conhecidos como diamagnéticos e não são adequados para a ESR.

Como em outras técnicas de espectroscopia de ressonância, os elétrons usados ​​na ressonância de rotação eletrônica devem relaxar e retornar aos seus estados de energia mais baixa. Caso contrário, todos os elétrons serão excitados e nenhuma absorção adicional será possível. Nesse caso, não haverá nada para medir e, consequentemente, nenhum sinal será produzido. O relaxamento spin-treliça, onde um elétron fornece energia ao ambiente, e o relaxamento spin-spin, onde um elétron fornece energia a outro elétron, são os dois métodos pelos quais o relaxamento pode ocorrer.

A ESR é especialmente adequada para a detecção de radicais livres, que são um conjunto de moléculas altamente reativas com elétrons não emparelhados. Os radicais livres são conhecidos por serem a causa de várias doenças, envenenamentos e até cânceres. Eles também causam a deterioração do esmalte dos dentes a uma taxa conhecida, o que significa que a ressonância de rotação eletrônica pode ser usada para datar os dentes e, por extensão, os seres humanos. O excesso de radicais livres também está presente na cerveja e no vinho que já ultrapassaram o prazo de validade.

A ESR também é uma candidata líder em várias tecnologias de ponta. Isso inclui fotossíntese artificial e computação quântica. Neste último, ajustando a ESR para trabalhar em um único elétron em vez de um grupo de elétrons, pode ser criada uma porta lógica que corresponde aos estados de energia do momento magnético do elétron.