Nanoestrelas detectam radiação

Com informações da Agência Fapesp - 08/12/2015

As nanoestrelas têm potencial para melhorar a eficiência de sistemas nos quais seja necessário detectar luz ou radiação com alto grau de sensibilidade.
[Imagem: Éder Guidelli]

Nanoestrelas

Pesquisadores brasileiros desenvolveram nanopartículas que vão ajudar a melhorar a eficiência de diversos sistemas nos quais é necessário detectar luz com alto grau de sensibilidade.

As nanopartículas possuem núcleos de ouro e de prata, revestidos por uma casca de óxido de zinco (ZnO).

A seleção desses componentes deve-se às propriedades ópticas incomuns que derivam da junção desses materiais - o óxido de zinco é um material semicondutor, largamente pesquisado para aplicações de fronteira, como células solares transparentes e nanogeradores biomecânicos, capazes de transformar o movimento do corpo em eletricidade para alimentar equipamentos portáteis, além de lasers de nanofios e LEDs de baixo custo.

Diante da emissão de diversas formas de radiação eletromagnética (o que inclui tanto a luz visível como os raios X, por exemplo), os metais preciosos e o óxido de zinco têm características que lhes permitem capturar e amplificar os sinais.

Devido ao formato característico dessas nanopartículas, os pesquisadores costumam chamá-las de "estrelas" - em formatos mais complexos, viram verdadeiros ouriços-do-mar nanotecnológicos.

O trabalho foi realizado por Éder Guidelli e Oswaldo Baffa, da Universidade de São Paulo (USP) em Ribeirão Preto, em parceria com a equipe do professor David Clarke, da Universidade de Harvard, nos EUA.

Detecção de radiação

Os experimentos revelaram de forma precisa como as nanopartículas geram a amplificação dos sinais eletromagnéticos.

Um exemplo envolve a chamada OSL (sigla em inglês para "luminescência opticamente estimulada"), um método de datação óptica que é bastante usado por geólogos e arqueólogos para datar sedimentos e artefatos.

Digamos que as "estrelas" - as nanopartículas - sejam usadas para captar uma emissão radioativa, de raios X, por exemplo. O que ocorre inicialmente é que os elétrons presentes no óxido de zinco são ionizados, ou seja, arrancados da posição que normalmente ocupariam na estrutura molecular do ZnO, a sua camada de valência.

Um mar de estrelas, funcionando como antenas, pode se transformar em um sensor de radiação muito eficiente.
[Imagem: Éder Guidelli et al. - 10.1038/srep14004]

Depois desse bombardeio inicial, esses elétrons podem ficar presos em pequenos defeitos microscópicos dos "raios" da estrela, também chamados de armadilhas. "Eles podem ficar lá indefinidamente, mas um pulso de luz é capaz de fazer com que eles voltem para a sua camada de valência. Ao retornar, eles emitem luz," explica Éder.

Nesse processo, os fótons funcionam como uma espécie de "troco" dos fenômenos quânticos: quando um elétron fica temporariamente num estado excitado (ou seja, anormalmente energético), a produção de fótons permite que ele retorne aos seus níveis normais de energia.

Tudo isso poderia ocorrer apenas com a estrutura de óxido de zinco, mas a presença das partículas de ouro e prata faz com que todo o processo de "des-excitação" (ou seja, de retorno dos elétrons ao seu estado menos energético) ocorra de forma mais rápida e mais eficiente. "Uma analogia que gosto de usar é a do celular e a da antena que amplifica o sinal desse celular," disse Éder.

Patente guarda-chuva

A alta sensibilidade das nanopartículas em formato de estrela faz com que elas tenham potencial, por exemplo, para medir com precisão pequenos níveis de radiação no ambiente, minimizando os riscos desse tipo de situação.

Aplicações na datação de objetos em escavações arqueológicas também seriam possíveis - com a sensibilidade do sistema, seria viável datar amostras muito pequenas de material.

Por esses e outros potenciais, a equipe depositou um pedido de "patente guarda-chuva", que protege diversas possíveis aplicações tecnológicas ligadas ao trabalho.

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