Nobel de Química 2023: O que são Pontos Quânticos?

Figura 1. O Prêmio Nobel de Química 2023 agraciou os pioneiros no desenvolvimento dos pontos quânticos: Louis Brus, Moungi Bawendi e Alexei Ekimov (esquerda para a direita).

A nanotecnologia, que é a ciência que trata do estudo de materiais em escala nanométrica, bem como os nanomateriais, e é um dos campos mais promissores hoje na química e na física.

Entre os nanomateriais, os pontos quânticos são materiais que se destacam devido às suas interessantes propriedades ópticas e eletrônicas, permitindo aplicações tecnológicas em muitas áreas, como telas modernas de televisores (ex.: QLED TV) e outros dispositivos emissores de luz. Os pontos quânticos são semicondutores nanocristalinos constituídos por apenas alguns milhares de átomos e que apresentam portadores de carga (elétrons e buracos). Esses nanocristais estão em um estado de forte confinamento, chamado de confinamento quântico, devido às suas dimensões físicas muito reduzidas -- entre 1 e 10 nanômetros (nm) -, e passam a exibir algumas propriedades de átomos únicos (efeitos quânticos). Esse confinamento é responsável pela absorção e emissão na região do visível e regiões próximas (como o ultravioleta e o infravermelho próximo), apresentadas por esses materiais. Dessa forma, alterações sensíveis no tamanho das nanopartículas podem modificar as energias de transição e, consequentemente, levar a alterações nas propriedades ópticas.

Essas propriedades permitem que pontos quânticos possam ser manipulados no sentido de emitirem comprimentos de onda de luz específicos apenas variando o tamanho dos nanocristais. Pontos quânticos muito pequenos de seleneto de cádmio (CdSe), por exemplo, podem emitir luz azul, mas nanocristais maiores do mesmo composto podem emitir luz vermelha.

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E o Nobel de Química deste ano premiou justamente três cientistas que foram pioneiros na predição e síntese dos pontos quânticos: Moungi Bawendi, do Instituto de Tecnologia de Massachusetts em Cambridge, Louis Brus da Universidade Columbia em New York City, e Alexei Ekimov da companhia Nanocrystals Technology em New York City.

Entre cristais e átomos

Quando o tamanho físico do semicondutor é reduzido abaixo do Raio de Bohr do éxciton, que é a distância média entre o elétron e o buraco (carga positiva), ocorre o efeito chamado de confinamento quântico. De forma qualitativa, o confinamento quântico leva à formação de níveis discretos nas bandas de valência e de condução desses materiais, que apresentam então comportamento intermediário entre cristais e átomos isolados. O confinamento dos pares de elétrons e buracos nas três dimensões leva ao aumento na energia entre a banda de valência e a banda de condução (energia de banda proibida - bandgap) dos materiais, de acordo com a diminuição de seu tamanho, ou seja, quanto menor o material, maior o confinamento dos portadores de carga, e maior a sua energia de banda proibida (Fig.2).

Figura 2. Representação do efeito de variação da energia de banda proibida em função do tamanho da nanopartícula. Quando estamos em nanoescala, tamanho importa muito. Quando luz atinge um ponto quântico, este fluoresce a uma certa cor dependendo do seu tamanho. Ref.2

Em outras palavras, à medida que os pontos quânticos alcançam a nanoescala, os elétrons começam a ser confinados pelo tamanho dos seus arredores. Uma vez que esse tamanho se torna menor do que o volume natural que um elétron pode se mover ao redor, os elétrons respondem mudando seus níveis de energia. Consequentemente, a absorção e emissão ópticas dos materiais tendem a ser dependentes de seus tamanhos e, assim, a se deslocarem para a região do azul do espectro eletromagnético à medida que seus tamanhos vão se tornando cada vez menores, conduzindo a um arco-íris de cores de emissão, da região do ultravioleta ao infravermelho. Assim, um mesmo composto químico na forma de nanocristais pode produzir variadas cores sem necessidade de adicionar outros tipos de compostos fluorescentes.

Figura 3. O comitê do Nobel demonstrou as propriedades ópticas dos pontos quânticas usando frascos contendo nanocristais de variados tamanhos - e pertencentes a um mesmo composto - suspensos em solução e sob exposição de luz ultravioleta.

Além da variação de cor, o ajuste de tamanho dos pontos quânticos permite também variações em efeitos magnéticos e elétricos e até mesmo em propriedades físicas - como ponto de fusão - e químicas - como potencial catalítico em reações - desses nanomateriais.

Devido a essas características, pontos quânticos apresentam aplicação em uma diversidade de áreas, por exemplo, como absorvedores em dispositivos conversores de energia solar, emissores de luz, biomarcadores, sensores fluorimétricos, eletrônicos flexíveis e muitos outros. Em células solares, pontos quânticos podem ser ajustados para absorver um amplo espectro de luz e converter de forma mais eficiente a radiação solar em energia elétrica. Existem também potenciais aplicações de pontos quânticos em chips de silício associados a computadores quânticos.

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Compostos semicondutores comumente usados hoje como pontos quânticos em aplicações tecnológicas diversas incluem seleneto de zinco, seleneto de cádmio e fosfeto de índio. Talvez o uso mais conhecido dos pontos quânticos seja na produção de telas de TVs e computadores baseadas na tecnologia QLED, onde o 'Q' faz referência a 'ponto quântico'. Os pontos quânticos nessas telas são usados para transformar parte da luz azul em vermelho ou verde, produzindo as três cores primárias necessárias para a visualização colorida de imagens, textos e vídeos. Em 2021, o mercado associado aos pontos quânticos alcançou US$4 bilhões- apenas nos EUA, e cerca de 8% do atual mercado global de televisores depende dos pontos quânticos para a adição de cores brilhantes nas telas (Ref.4).

História, pontos quânticos e Nobel

Ekimov foi o primeiro a reportar efeitos ópticos dependentes do tamanho de nanocristais (2-30 nm) em vidros coloridos dopados com partículas de cloreto de cobre, em 1981, com o auxílio de experimentos envolvendo aquecimento variável de vidros e análise espectroscópica com raio-X. Dois anos mais tarde, Brus descreveu a preparação de pontos quânticos em uma solução, enquanto explorava nanopartículas semicondutoras para aplicações em células solares - sendo o primeiro cientista a fazer a ligação entre semicondutores e propriedades variantes dependendo do tamanho das nanopartículas. No caso, Brus descreveu efeitos quânticos em nanocristais de sulfeto de cádmio com tamanhos variando de 4,5 nm até 12,5 nm, onde demonstrou que as menores nanopartículas exibiam absorção variante no sentido do azul. Mas, até então, esses materiais eram inacessíveis e pouco desenvolvidos para aplicações tecnológicas.

Foi Bawendi que descobriu um meio de preparar pontos quânticos de tamanhos específicos, combinando técnicas químicas inorgânicas e organometálicas para um controle preciso (Fig.4). O método - descrito em um paper de 1993 - envolvia injetar os reagentes em um solvente quente até que se tornassem saturados, resultando na formação súbita de cristais de seleneto de cádmio (CdSe). Quando a mistura era removida do calor, o crescimento dos cristais desacelerava. Os pontos [nanocristais] resultantes exibiam o mesmo tamanho e qualidade.

Figura 4. Preparação de pontos quânticos por Bawendi. Variando dinamicamente a temperatura da solução, Bawendi e seu time de pesquisa conseguiram crescer nanocristais de um tamanho específico, com o solvente ajudando a tornar a superfície dessas nanopartículas lisas e homogêneas. Ref.5

Os nanocristais preparados por Bawendi eram quase perfeitos, e, como o método de produção era fácil de replicar e usar, o avanço foi revolucionário e abriu as portas para inúmeras pesquisas com nanomateriais e pontos quânticos ao redor do mundo.

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CURIOSIDADE: Em 1937, o físico Herbert Fröhlich foi o primeiro a predizer que nanopartículas não se comportariam como outras partículas. Ele explorou as consequências teóricas da famosa equação de Schrödinger (!), a qual mostra que quando partículas se tornam extremamente pequenas existe menos espaço para os elétrons do material se movimentarem, confinando-os em um volume muito pequeno e limitante. Fröhlich percebeu que isso resultaria em drásticas mudanças nas propriedades dos materiais. Na década de 1970, cientistas conseguiram produzir nanoestruturas através de feixes moleculares, criando finas camadas de deposição em nanoescala. Isso permitiu pela primeira vez a demonstração que as propriedades ópticas de nanomateriais variavam dependendo das suas dimensões físicas, corroborando as predições da teoria quântica.

(!) Sugestão de leitura: Qual o propósito do Gato de Schrödinger?

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REFERÊNCIAS