Técnica brasileira aprimora produção dos revolucionários pontos quânticos

Redação do Site Inovação Tecnológica - 20/06/2024

Amostras de pontos quânticos de CdTe sintetizados a 70, 80 e 90 °C.
[Imagem: P. F. G. M. da Costa et al. - 10.1038/s41598-024-57810-8]

Fabricação dos pontos quânticos

Pesquisadores brasileiros aprimoraram a técnica de fabricação dos pontos quânticos.

Essas nanopartículas semicondutoras emissoras de luz, que ganharam o Prêmio Nobel de Química do ano passado, hoje formam os píxeis das telas mais modernas, mas estão sendo pesquisadas para muitas outras aplicações, incluindo células solares revolucionárias, LEDs feitos com cascas de arroz e até como qubits para computadores quânticos.

A nova técnica permite monitorar em tempo real o que está acontecendo na solução onde os pontos quânticos são produzidos, isto é, acompanhar o crescimento cristalino por meio da cor (frequência) que os pontos quânticos emitem.

Isso é crucial porque as características de emissão de luz dos pontos quânticos (PQs) estão diretamente ligadas ao seu tamanho, devido ao fenômeno do confinamento quântico. Os elétrons ficam presos, ou confinados, no interior do ponto quântico como se estivessem em uma caixa cujas paredes são as barreiras de potencial criadas pelo material semicondutor. Assim, do mesmo modo que ocorre em um átomo, os elétrons só podem ocupar níveis discretos de energia. E esses níveis discretos são determinados pelo tamanho do ponto quântico - quanto menor o ponto, mais próximos os níveis de energia se tornam, determinando sua emissão de luz.

"A síntese é realizada a partir de uma mistura de soluções precursoras de íons de cádmio (Cd2+) e telúrio (Te2-), na presença de um reagente para controle de tamanho. Com o aumento da temperatura, a reação química é iniciada, mediante a aproximação e agrupamento de íons de telureto e de cádmio. À medida que a reação prossegue, unidades adicionais de CdTe vão se agrupando esfericamente em um processo chamado de automontagem.

"Graças ao monitoramento rápido e preciso das frequências de emissão, pode-se estimar o tamanho das nanopartículas. PQs de telureto de cádmio com diâmetro em torno de 1 a 2 nanômetros (nm) emitem na região do azul e verde do espectro visível, enquanto PQs maiores, na faixa de 4 a 5 nm, emitem em frequências mais baixas, como amarelo e vermelho, respectivamente," explicou o pesquisador Leonnam Merizio, do Instiuto de Física da USP em São Carlos (SP).

Dispositivo de monitoramento de luminescência in situ criado pela equipe, acoplado a um espectrômetro de fluorescência.
[Imagem: P. F. G. M. da Costa et al. - 10.1038/s41598-024-57810-8]

Monitoramento no local em tempo real

A nova técnica, que a equipe chama de in situ (no local) tem vantagens significativas em relação à estratégia convencional de síntese dos PQs.

"Na técnica convencional, é preciso retirar pequenas alíquotas de amostra da solução, para medir o tamanho dos pontos quânticos. Na técnica in situ, as medidas são feitas enquanto o processo ocorre, sem a necessidade de interferir no meio reacional retirando amostras. Isso possibilita obter maior número de espectros por unidade de tempo, além de não alterar o volume reacional e evitar descartes desnecessários. Desse modo, a técnica permite controlar, de forma bem mais precisa, a cor de emissão dos PQs de interesse," explicou Leonnam.

"Embora existam muitas publicações relatando a síntese de PQs de CdTe, a maior contribuição do nosso trabalho está no desenvolvimento e aplicação do sistema de medidas de luminescência in situ, extremamente versátil. Além de permitir a inferência dos tamanhos das nanopartículas cristalinas, como neste caso-modelo, a metodologia também possibilita caracterizar a formação de compostos intermediários em reações químicas, por associação in situ de outras técnicas que permitam análise química e/ou estrutural," complementou a professora Andrea de Camargo.

História dos pontos quânticos

Estrutura cristalina dos pontos quânticos de CdTe, apresentando uma fase cristalina cúbica, onde o cádmio está representado em azul e o telúrio em vermelho. À direita, micrografias dos pontos em níveis crescentes de aproximação.
[Imagem: P. F. G. M. da Costa et al. - 10.1038/s41598-024-57810-8]

A existência dos pontos quânticos foi prevista teoricamente em 1937 pelo físico alemão Herbert Fröhlich (1905-1991).

Na década de 1980, Alexey Ekimov, nascido em 1945 na então União Soviética, e Louis Brus, nascido em 1943 nos Estados Unidos, observaram o fenômeno de confinamento quântico em nanopartículas semicondutoras pela primeira vez.

Na década de 1990, o tunisiano Moungi Bawendi (1961-) também contribuiu com estudos de aperfeiçoamento da síntese das nanopartículas por diferentes técnicas.

Em 2023, os três, Ekimov, Brus e Bawendi, foram premiados com o Nobel de Química por suas contribuições no desenvolvimento dos pontos quânticos .

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