(Português do Brasil) Os pontos quânticos e o Prêmio Nobel de Química (V.6, N.10, P.3, 2023)

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#acessibilidade: Em um fundo preto se observam uma série de frasquinhos contendo soluções com cores intensas e brilhantes, na ordem:  violeta, azul, turquesa, verde, amarelo, laranja e vermelho.

Texto escrito por Danilo Gallina e Mónica B. M. López

Inicialmente chamados de nanoestruturas semicondutoras zero-dimensionais, os quantum dots (ou pontos quânticos) são materiais na escala nanométrica, que estão presentes em tecnologias que usamos no nosso dia-a-dia. Lembra quando falamos dos nanotubos de carbono e de nanoscópio? Então, no caso dos quantum dots, eles são usados como filtros de cor em televisores LCD (que utilizam a tecnologia QLED), ou seja eles recebem os fótons gerados pelos LEDs e os re-emitem como luz de arranjo RGB em cada pixel da tela. Recentemente, vimos nos jornais como eles ganharam grande destaque pois os cientistas que os descreveram e sintetizaram, ganharam o Prêmio Nobel de Química. 

Mas como funcionam estas minúsculas partículas e por que suas propriedades são tão extraordinárias? Bem, primeiramente é importante destacar que estamos falando de partículas de tamanho aproximadamente um milhão de vezes menor do que a ponta de um alfinete, ou seja, na escala de uns poucos nanômetros. Nestas dimensões, o espaço onde os elétrons de um átomo ficam “hospedados”, começa a ficar limitado a medida que o tamanho dos pontos quânticos diminui, e os níveis de energia que esses elétrons podem ter começam a ficar próximos entre si. Quando isso acontece, os elétrons lá confinados, fazem transições de um nível para outro pela absorção de luz, e depois a emitem em forma de cores características (ou comprimentos de onda), que o olho humano pode detectar. E o que é fascinante é que a cor que observamos está associada ao tamanho do ponto quântico (Figura 1), e essa cor também é observada quando eles estão flutuando ou suspensos em um líquido. Inclusive isso acontece na natureza, como nas asas de um beija-flor.

cores emitidas por pontos quanticos - (Português do Brasil) Os pontos quânticos e o Prêmio Nobel de Química (V.6, N.10, P.3, 2023)

Figura 1. Ilustração de algumas cores emitidas por pontos quânticos, e a relação com seu tamanho. Pontos quânticos que apresentam cores em comprimentos de onda menores (região verde-azul do espectro visível) tem tamanho médio de ~2 nm, e vai aumentando até o vermelho, que tem aproximadamente 6 nm de diâmetro.

Dentre os compostos utilizados para a síntese coloidal de pontos quânticos estão o seleneto de cádmio, sulfeto de cádmio, sulfeto de zinco e sulfeto de chumbo. Embora as aplicações mais conhecidas dos pontos quânticos sejam em dispositivos eletrônicos, eles também são utilizados em medicina, na obtenção de imagens intracelulares, em células solares e como parte de metodologias de sensoriamento. 

Historicamente, antes da obtenção destes materiais, lá por volta de 1937 o físico Herbert Fröhlich já tinha previsto teoricamente que partículas metálicas de tamanhos abaixo de 10 nm apresentariam propriedades diferentes das observadas nos materiais maiores. Depois, no final dos anos 70,  Alexey Ekimov adicionou cloreto de cobre(I) no vidro com o qual estava trabalhando, o que acabou sintetizando nanocristais (de 2 a 30 nanômetros) integrados nessa matriz de vidro. Ele então observou que o tamanho dessas partículas de cloreto de cobre(I) resultava em uma coloração diferente, demonstrando um efeito quântico. Louis Brus em 1981,  sem o conhecimento do trabalho de Ekimov  que havia sido publicado em um jornal soviético, sintetizou uma solução coloidal semicondutora nanocristalina de sulfeto de cádmio e observou que o tamanho das nanopartículas estavam modificando a coloração da solução, comprovando o efeito quântico relacionado à  coloração e o tamanho das partículas assim como Ekimov.

Moungi Bawendi criou cristais quânticos assim como Brus (seu supervisor de pós-doutorado), mas com tamanho bem definido ao injetar o composto que formaria seleneto de cádmio em um solvente quente, formando pequenos cristais, mas essa injeção faria com que o solvente perdesse temperatura, assim parando o crescimento dos cristais, que poderiam crescer novamente com o aumento de temperatura, possibilitando gerar cristais perfeitos de tamanhos previsíveis.

O trabalho do Ekimov, Brus e Bawendi foi reconhecido com o Prêmio Nobel de Química em 2023, pela descoberta e síntese dos pontos quânticos. E a história não acaba aí, pois a comunidade científica entusiasta dos nanomateriais continua na busca de novas e fascinantes aplicações. 

 


1Quantum Dot Light-Emitting Diode


 

Fontes: 

Owen, Jonathan; Brus, Louis, Chemical Synthesis and Luminescence Applications of Colloidal Semiconductor Quantum Dots, Journal of the American Chemical Society 2017 139 (32), 10939-10943, Disponível em: https://doi.org/10.1021/jacs.7b05267.

Bera, Debasis; Qian, Lei; Tseng, Teng-Kuan & Holloway, P. H. (2010). Quantum Dots and Their Multimodal Applications: A Review. Materials, 3(4), 2260-2345. Disponível em: https://doi.org/10.3390/ma3042260.

Melville, Jonathan. Optical Properties of Quantum Dots. UC Berkeley College of Chemistry. Disponível em: https://www.ocf.berkeley.edu/~jmlvll/lab-reports/quantumDots/quantumDots.pdf.

Ramanathan, Tara e Gregersen, Erik. “Alexei Ekimov”. Enciclopédia Britannica, 9 de outubro de 2023. Disponível em: https://www.britannica.com/biography/Alexei-Ekimov.

Gregersen, Erik e Rafferty, John P.. “Louis Brus”. Enciclopédia Britannica, 9 de outubro de 2023. Disponível em: https://www.britannica.com/biography/Louis-Brus.

Gregersen, Erik e Rogers, Kara. “Moungi Bawendi”. Enciclopédia Britannica, 9 de outubro de 2023. Disponível em: https://www.britannica.com/biography/Moungi-Bawendi.

Chemistry Prize 2023. The Nobel Prize. Disponível em: https://www.nobelprize.org/uploads/2023/10/Slideshow_Chemistry_2023_NobelPrizeLessons_2.pdf.

Quantum dots: an overview of synthesis, properties, and applications.  Disponível em https://iopscience.iop.org/article/10.1088/2053-1591/acda17/pdf.

Pesquisa sobre pontos quânticos leva o Nobel de Química de 2023. Jornal da Unesp. Disponível em: https://jornal.unesp.br/2023/10/04/pesquisa-sobre-pontos-quanticos-leva-o-nobel-de-quimica-de-2023/.

NASA Engineer’s Quantum Dot Instrument Enables Spacecraft-as-Sensor Concept. NASA. Disponível em: https://www.nasa.gov/technology/nasa-engineers-quantum-dot-instrument-enables-spacecraft-as-sensor-concept/.

 

Para saber mais:

Prêmio Nobel de Química 2023 – O que são Quantum Dots (Pontos Quânticos)?. Universidade da Química. 4 de Outubro de 2023. Disponível em: https://youtu.be/D77Y6gdXKDE?si=xLzCchcuXsnjaKTK.

Licença da Imagem de Fundo: File: Quantum Dots with emission maxima in a 10-nm step are being produced at PlasmaChem in a kg scale.jpg” by Antipoff is licensed under CC BY-SA 3.0.

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