Entenda a tecnologia de pontos quânticos, premiada com o Nobel de Química de 2023

Anunciado spoiler na manhã desta quarta feira (04), o russo Alexey Ekimov, do Nanocrystals Technology Inc., o francês Moungi Bawendi, do MIT (Instituto de Tecnologia de Massachussets), e o americano Louis Brus, da Universidade de Columbia,  foram os vencedores do Prêmio Nobel de Química de 2023. 

Eles foram laureados pelo desenvolvimento de uma tecnologia chamada pontos quânticos, presente em sua TV e monitor de LED, por exemplo. Os quantum dots, em inglês, consiste em utilizar nanopartículas como semicondutores para a emissão de luz em cores. Segundo palavras da própria academia, os pesquisadores coloriram a nanotecnologia.

Mas como exatamente os pesquisadores pintaram aquarela com coisas tão pequenas? Calma que a gente explica.

A aquarela do mundo quântico

Os pontos quânticos são nanopartículas de cristais feitas com algum material semicondutor, que podem ter entre 2 e 10 nanômetros de tamanho. Para ter uma noção, imagine um botão com 1 cm de diâmetro. 1 nanômetro é 1 milhão de vezes menor que isso, ou 10 mil vezes menor que um fio de cabelo. Um ponto quântico está para a gente como uma bola de futebol está para o planeta Terra.

O material semicondutor pode ser de seleneto de cádmio, telureto de cádmio, seleneto de zinco ou sulfeto de chumbo. Em termos gerais, as propriedades de um elemento são comandadas pelos elétrons. Mas, quando as coisas começam a encolher até chegar no tamanho das nanopartículas, as coisas ficam um pouquinho mais estranhas. Chamado de fenômeno quântico, o comportamento dos elétrons nos elementos vai depender do tamanho do “lugar” onde eles se encontram. 

Dessa forma, os pesquisadores descobriram que, ao confinarem os elétrons dentro  desses nanocristais, eles terão sua energia modulada dependendo do tamanho do nanocristal. Consequentemente, quando excitados, esses elétrons vão emitir luz em determinado comprimento de onda, dependendo do tamanho e do material do cristal. (Não por acaso, esses cristais também são chamados de átomos artificiais).

Os pontos quânticos menores – ou seja, aqueles que têm um raio entre 2 e 3 nm de tamanho – vão emitir cores no comprimento do azul e do verde. Já os que são um pouco maiores, que ficam entre 5 e 6 nm, vão emitir luz no comprimento de onda do amarelo e do vermelho.

Dessa forma, ao receberem fótons (a partícula da luz), do LED (Light Emitting Diode, ou Diodo Emissor de Luz, em português), os pontos quânticos vão emanar essa luz em cores, dependendo do seu tamanho.

A estrada até aqui

Para chegar até aqui, a estrada foi longa. Tudo começou ainda lá nos anos 80, quando Alexey Ekimov conseguiu sintetizar pela primeira vez esses nanocristais em um vidro colorido. Ele estava tentando entender a estrutura e composição química das partículas nesses vidros. 

Utilizando cristais de cloreto de cobre e controlando a temperatura, Ekimov e sua equipe confirmaram que o tamanho dos cristais na matriz de vidro variavam dependendo da temperatura e do tempo de exposição. Com técnicas de espalhamento de raios X, eles perceberam que o comprimento de onda dos nanocristais também variavam dependendo do tamanho.

Em um estudo paralelo e independente, em 1983, Louis Brus investigava nanopartículas de sulfeto de cádmio (CdS). Para isso, ele e sua equipe preparam uma solução com os cristais de CdS, e perceberam que, conforme passavam os dias, os cristais se dissolviam e recristalizavam em cristais um pouco maiores. Utilizando espectoroscopia, ele percebeu que os cristais mais novos (e menores) emitiam uma cor diferente dos cristais mais velhos e maiores.

Mas ambos tinham uma limitação. A sua manipulação estava limitada ou ao vidro, no caso de Ekimov, ou a solução de CdS criado por Brus. E é aqui que Moungi Bawendi entra na jogada. Em 1993, ele e sua equipe criaram um método para sintetizar esses pontos quânticos.

Para isso, ele injetou reagentes para formar o seleneto de cádmio em uma reação com um solvente quente. Os cristais de seleneto de cádmio começaram então a se formar. Controlando a temperatura do solvente, ele conseguiu criar cristais maiores ou menores, dependendo da temperatura.

Mais que pequenas bolinhas coloridas

É graças aos pontos quânticos que você hoje consegue assistir TV em Full HD. Sabe aquele Q do lado o nome “QLED”? Então, vem de quantum dot. Mas para além das TVs e dos monitores de computador, a tecnologia de pontos quânticos também se mostrou revolucionária para a medicina.

Eles são empregados para mapear órgãos com câncer, por exemplo. Isso porque os pontos quânticos podem se ligar a células cancerígenas ou proteínas relacionadas a algum tipo de doença. Utilizando tomografia ou ressonância magnética, é possível fazer uma análise e monitoramento in vivo dos pacientes, rastreando o problema em tempo real – e agilizando o tratamento.