Prêmio Nobel homenageia inventores de nanopartículas de 'pontos quânticos' | Revista Quanta

Imagine um nanocristal tão minúsculo que se comporta como um átomo. Moungi G. Bawendi, Louis E. Brus e Alexei I. Ekimov receberam o Prêmio Nobel de Química de 2023 por descobrir uma categoria dessas minúsculas maravilhas, agora conhecidas como pontos quânticos, e por desenvolver um método preciso de sintetizá-los. Os pontos quânticos já desempenham papéis importantes na eletrónica e na biomedicina, como na distribuição de medicamentos, imagiologia e diagnósticos médicos, e têm aplicações mais promissoras no futuro, afirmou o Comité do Nobel da Química no anúncio do prémio.

Os pontos quânticos, às vezes chamados de átomos artificiais, são nanocristais precisos feitos de silício e outros materiais semicondutores com apenas alguns nanômetros de largura - pequenos o suficiente para exibir propriedades quânticas, assim como os átomos individuais, embora tenham de cem a alguns milhares de átomos de tamanho. . Como os elétrons podem ficar presos em certos níveis de energia dentro deles, os nanocristais podem emitir apenas certos comprimentos de onda de luz. Ao controlar o tamanho das partículas, os pesquisadores podem programar com precisão a cor que os pontos quânticos piscarão quando estimulados.

No palco no anúncio do Prêmio Nobel esta manhã, Johan Åqvist, presidente do Comitê do Nobel de Química, exibiu uma série de cinco frascos, cada um contendo um líquido com uma cor diferente. Os fluidos continham soluções líquidas de pontos quânticos com apenas alguns milionésimos de milímetro de tamanho. Com esse tamanho minúsculo, “a mecânica quântica começa a pregar todos os tipos de peças”, disse Åqvist.

A mecânica quântica prevê que se você pegar um elétron e comprimi-lo em um espaço pequeno, a função de onda do elétron será comprimida, explicou Heiner Linke, membro do Comitê do Nobel de Química e professor de nanofísica. Quanto menor for o espaço, maior será a energia do elétron, o que significa que ele pode fornecer mais energia a um fóton. Em essência, o tamanho de um ponto quântico determina a cor que ele brilha. As partículas menores brilham em azul, enquanto as maiores brilham em amarelo e vermelho.

Na década de 1970, os físicos sabiam que os fenômenos quânticos deveriam, em teoria, estar associados a partículas de tamanho extremamente pequeno, assim como acontecia com filmes ultrafinos, mas essa previsão parecia impossível de ser testada: parecia não haver uma boa maneira de produzir e manusear partículas, exceto dentro de outros materiais que mascarariam suas propriedades. Em 1981, no Instituto Óptico Estatal SI Vavilov, na União Soviética, porém, Ekimov mudou isso. Ao adicionar compostos de cobre e cloro a um vidro, ele descobriu que a cor do vidro dependia inteiramente do tamanho das partículas adicionadas. Ele rapidamente reconheceu que os efeitos quânticos eram a explicação provável.

Em 1983, no Bell Labs, Brus estava realizando experimentos sobre o uso da luz para conduzir reações químicas. Brus (agora na Universidade de Columbia) notou que o tamanho das nanopartículas também afetava suas propriedades ópticas, mesmo quando flutuavam livremente em uma solução líquida. “Isso despertou muito interesse”, disse Linke.

A potencial utilidade optoeletrônica de tais partículas não passou despercebida aos tecnólogos, que seguiram o exemplo de Mark Reed da Universidade de Yale ao se referir a eles como pontos quânticos. Mas durante a década seguinte, os investigadores lutaram para controlar com precisão o tamanho e a qualidade destas partículas.

Em 1993, porém, Bawendi inventou um “método químico engenhoso” para produzir nanopartículas perfeitas, disse Åqvist. Ele foi capaz de controlar o momento exato em que os cristais se formaram e, então, foi capaz de parar e reiniciar o crescimento de maneira controlada. Sua descoberta tornou os pontos quânticos amplamente úteis em uma variedade de aplicações.

As aplicações para essas nanopartículas vão desde displays de LED e células solares até imagens em bioquímica e medicina. “Essas conquistas representam um marco importante na nanotecnologia”, disse Åqvist.

O que são pontos quânticos?

São nanopartículas produzidas pelo homem, tão pequenas que as suas propriedades são governadas pela mecânica quântica. Essas propriedades incluem a emissão de luz: o comprimento de onda da luz que emitem depende unicamente do tamanho das partículas. Os elétrons em partículas maiores têm menos energia e emitem luz vermelha, enquanto os elétrons em partículas menores têm mais energia e emitem luz azul.

Os pesquisadores podem determinar com precisão que cor de luz emergirá dos pontos quânticos simplesmente regulando seu tamanho. Isso oferece uma enorme vantagem sobre o uso de outros tipos de moléculas fluorescentes, para as quais é necessário um novo tipo de molécula para cada cor distinta.

Esta vantagem na controlabilidade não se limita à cor dos pontos quânticos. Ao ajustar o tamanho das nanopartículas, os investigadores também podem ajustar os seus efeitos eléctricos, ópticos e magnéticos, bem como propriedades físicas como o seu ponto de fusão ou como influenciam as reacções químicas.

Como o trabalho de Bawendi tornou os pontos quânticos práticos?

Em 1993, Bawendi e sua equipe do Instituto de Tecnologia de Massachusetts desenvolveram um método para produzir pontos quânticos com maior precisão e qualidade do que era possível anteriormente. Eles encontraram uma maneira de fazer crescer os nanocristais num instante, injetando seus precursores químicos em um solvente extremamente quente. Os pesquisadores então interromperam imediatamente o crescimento dos cristais, baixando a temperatura do solvente, criando “sementes” cristalinas infinitesimais. Ao reaquecer lentamente a solução, eles poderiam regular o crescimento adicional dos nanocristais. Seu método produzia cristais do tamanho desejado de forma reprodutível e era adaptável a diferentes sistemas.

Onde os pontos quânticos estão sendo usados?

Se você já assistiu a programas em uma TV QLED, já viu essas nanopartículas em ação. Mas eles também estão sendo usados ​​em imagens e iluminação biomédicas. Os pesquisadores ainda estão explorando aplicações adicionais para essas nanopartículas em computação e comunicações quânticas, eletrônica flexível, sensores, células solares eficientes e catálise para combustíveis solares.