Na natureza, as moléculas se encontram no estado de mínima energia. Quando são expostas a ondas eletromagnéticas de determinada frequência, porém, elas saem desse estado e passam para o estado excitado. Nesse estado, a distribuição de elétrons na molécula se torna diferente, e essa diferença pode provocar alterações em algumas de suas propriedades.

Não se pode determinar com precisão a posição dos elétrons em torno de núcleos atômicos. Pode-se apenas descrever “nuvens de probabilidade” que demonstram as posições mais prováveis dessas partículas. São essas nuvens que se alteram quando a molécula é exposta às ondas mencionadas acima. Essa mudança afeta, por sua vez, as posições dos núcleos dos átomos que compõem a molécula, o que pode fazer, por exemplo, com que ela assuma outra geometria para lidar com a energia recebida. A imagem abaixo mostra uma representação das "nuvens de probabilidade" para a molécula de uracila.

Após certo período, que varia conforme a molécula, ela se livra dessa energia. Isso pode ocorrer através da liberação de um fóton (significando que a molécula decai radioativamente) ou através de alguma mudança brusca de geometria (um processo chamado de intersecção cônica). Ambos os processos devolvem a molécula ao seu estado de mínima energia.

Em sua tese de doutoramento em Física, Carlos Bistafa estuda as propriedades de estado excitado da uracila, molécula que é uma das bases nitrogenadas do nosso material genético, e como o solvente em que ela está influencia essas propriedades. Essas bases são de bastante interesse para a área, uma vez que elas raramente decaem de forma radioativa e, quando sofrem conversão interna, o fazem de forma extremamente rápida.

“O processo de decaimento das moléculas do DNA é muito eficiente” explica Bistafa. “A estrutura delas acaba sendo uma proteção natural para minimizar o dano da radiação ultravioleta e visível”. Imagina-se que a estrutura de DNA dos seres vivo tenha sido selecionada dessa maneira, porque se elas não decaíssem muito rapidamente, poderiam ionizar, provocando tumores cancerígenos. Não se sabe ao certo quais mudanças da geometria da molécula permitem que ela decaia tão rapidamente, mas um melhor entendimento desse processo permitiria a pesquisa de novas formas de proteção contra radiação.

Como cada molécula é composta por diversos átomos, e cada átomo possui muitos elétrons orbitando seu núcleo, o cálculo das interações entre todas essas partículas é bastante complexo. Para realizá-lo, são necessários programas especializados em simulações desse tipo - alguns dos quais foram desenvolvidos no próprio Instituto de Física da USP. Esses programas permitem visualizar as mudanças que ocorrem nas moléculas quando elas são excitadas por várias frequências de ondas eletromagnéticas. O video abaixo representa um dos modos vibracionais da uracila.

Para algumas simulações, no entanto, são necessários softwares desenvolvidos em outras universidades, cujo uso nem sempre é livre. Pode ser necessário um investimento em licenças de uso de programas de simulação para que a pesquisa seja feita da forma mais completa possível. Esses custos, porém, podem ser justificados pelo enorme volume de trabalho que o desenvolvimento de tais programas mobiliza. Além disso, o uso de um software confiável, que já serviu de base para uma ampla literatura, ajuda a dar credibilidade aos trabalhos desenvolvidos com ele.