Pontos quânticos recebem Prêmio Nobel de Química em 2023

Em outubro de 2023, os cientistas Moungi I. Bawendi, Louis E. Brus e Alexei I. Ekimov receberam, pela Academia Real de Ciências da Suécia, o Prêmio Nobel de Química de 2023, pela descoberta e síntese dos quantum dots – pontos quânticos, em português. Esse assunto pertence ao campo da nanociência, e os premiados estudaram o tema quando a área ainda não era conhecida por esse nome. 

Alexei Ivanovich Ekimov foi o pioneiro nos estudos, iniciados na década de 1970. Através de suas análises, descobriu que certos contaminantes de metais, quando aplicados em vidro, tinham propriedades peculiares, dependendo da forma como eram fabricados. Ekimov foi a primeira pessoa a provar que as propriedades físicas desse material tinham relação com o tamanho – do que ele chamou – de defeito, ou pontinho quântico. 

Em 1980, Louis Eugene Brus foi responsável por preparar e isolar nanopartículas sem estudá-las em vidro – e sem conhecer o trabalho feito por Ekimov. Já na década de 1990, Moungi Gabriel Bawendi descobriu uma maneira de preparar nanopartículas de forma uniforme, e tornou-se um grande nome na área por conta dos métodos de síntese usados nos estudos. Todos esses nomes têm algo em comum: descobriram e estudaram, em alguma instância, os pontos quânticos. Mas, o que são essas partículas? 

Quantum dots 

Henrique Eisi Toma, professor do Departamento de Química Fundamental do Instituto de Química da USP, coordenador do Núcleo de Apoio à Nanotecnologia e Nanociências, e membro da Academia Brasileira de Ciências (ABC), explica, de forma técnica, que os quantum dots são partículas pequenas sensíveis à dimensão que existem em níveis quânticos. 

De maneira mais prática, o professor explica que os pontos quânticos podem ser pensados como a estrutura de cordas de um violão presas nas paredes de uma caixa. “Quando a corda é estimulada, ela vibra. A vibração é energia, que desloca o ar e produz som. Assim, toda energia mecânica aplicada vira som” exemplifica Toma. Quanto menor o espaço entre as cordas – e, consequentemente, menor a distância entre as paredes –, mais agudo o som fica, e a frequência da corda aumenta. 

Quando um elétron é inserido no universo nanométrico, ele deixa de ser uma partícula, e vira uma onda. Se estimulado por uma fonte de luz, ele começa a vibrar. Seguindo o mesmo raciocínio das cordas presas à caixa, se há um limitante para o tamanho do elétron, sua energia é alterada. O quantum dot funciona dessa maneira: quanto menor o tamanho da nanopartícula, maior sua energia – e consequentemente sua frequência. 

“Se eu aplico pouca energia, ela oscila pouco. Se eu aplico uma maior quantidade de energia, ela oscila mais”, explica o professor. Dessa forma, os diferentes níveis de energia geram diferentes níveis de frequência. No violão, quando a corda para de mover, o som não existe mais. Já nas partículas, a energia é convertida em luz.

Aplicações práticas

A aplicação mais conhecida para os pontos quânticos é em televisores de OLED. Os aparelhos com essa configuração são estruturados da seguinte maneira: há uma fonte de luz, uma camada de quantum dots bem orientados, uma camada de cristal líquido, e o monitor, superfície em que a imagem será projetada. “O segredo para a maior precisão de cores, nitidez, menor gasto de energia, maior tempo de vida útil, está na camada de quantum dots” explica Toma. 

Entretanto, essa não é a única utilidade da nanotecnologia. A nanociência abriga um grande universo de outras partículas, que estão inseridas nas mais variadas áreas do conhecimento. Algumas vacinas podem ser produzidas através da associação entre RNA e nanopartículas, como as de ouro, por exemplo.

Fernando Menegatti de Melo, bacharel, licenciado e doutor em Química pela Universidade de São Paulo, recebeu um prêmio pela Agência USP de Inovação por seus estudos a respeito de quantum dots magnéticos fluorescentes para detecção de fraturas metálicas, outra aplicação das nanopartículas. Melo isolou uma nanopartícula magnética, um ponto quântico e aplicou um espaçador químico entre as partes. Quando colocadas juntas, o magnetismo anula a luz emitida pelo quantum dot. No entanto, com a presença do espaçador, as partículas mantêm suas características. 

Com essa combinação é possível detectar, por exemplo, fraturas e defeitos em peças metálicas. De acordo com o professor, nas bordas dessas fraturas, campos elétricos magnéticos se acumulam, e as partículas magnéticas são atraídas para as falhas. Ao aplicar luz ultravioleta na peça, a região da rachadura brilhará, pois os quantum dots emitem luz.