Novo método melhora a produção controlada por tamanho de pontos quânticos luminescentes

Luminescência se refere ao resultado de um processo no qual um objeto absorve luz em um comprimento de onda e então a reemite em outro comprimento de onda. Por meio da absorção de luz, elétrons no estado fundamental do material são excitados para um estado de energia mais alto. Após um certo período de tempo característico de cada estado excitado, os elétrons decaem para estados de energia mais baixos, incluindo o estado fundamental, e emitem luz. O fenômeno é usado em uma ampla gama de aplicações tecnológicas envolvendo dispositivos emissores altamente eficientes e reproduzíveis que podem ser facilmente miniaturizados.

Os materiais com a maior eficiência de luminescência incluem pontos quânticos (QDs), atualmente usados ​​em displays de alta resolução, LEDs, painéis solares e sensores de vários tipos, como aqueles usados ​​para imagens médicas de precisão. A funcionalização da superfície de QDs com vários tipos de moléculas permite a interação com estruturas celulares ou outras moléculas de interesse com o propósito de investigar processos biológicos de nível molecular.

QDs são nanopartículas semicondutoras cujas características emissivas estão diretamente ligadas ao tamanho do ponto, devido ao fenômeno do confinamento quântico. Por essa razão, o monitoramento e o controle do crescimento de cristais durante a síntese de QDs em solução permitem o planejamento inteligente da luminescência desejada.

Em artigo publicado na revista Relatórios científicospesquisadores liderados por Andrea de Camargo, professor do Instituto de Física de São Carlos da Universidade de São Paulo (IFSC-USP), no Brasil, e colaboradores da Universidade de Kiel, na Alemanha, apresentam uma nova abordagem para o monitoramento da formação de QD.

“Usamos telureto de cádmio [CdTe] como sistema modelo e crescimento controlado de nanopartículas em solução aquosa aquecida via análise de luminescência in situ”, afirma Pedro Felipe Garcia Martins da Costa, doutorando no IFSC-USP e primeiro autor do artigo.

A técnica permite que os cientistas vejam o que está acontecendo na solução em tempo real sem afetar a síntese de QD, para que possam monitorar o crescimento do cristal observando a cor (comprimento de onda) da luz emitida.

“Os QDs são sintetizados pela mistura de cádmio (Cd²⁺) e telúrio (Te^2-) soluções precursoras na presença de um reagente de controle de tamanho. A temperatura é elevada e a reação química começa via telureto e aglomeração de íons de cádmio. Conforme a reação prossegue, unidades adicionais de CdTe se juntam ao aglomerado esfericamente em um processo conhecido como automontagem. O tamanho das nanopartículas pode ser estimado graças ao monitoramento rápido e preciso das frequências de emissão.

“QDs de CdTe com diâmetro de 1-2 nanômetros [nm] emitem nas regiões azul e verde do espectro visível. QDs maiores, medindo 4-5 nm, emitem em frequências mais baixas, como amarelo e vermelho, respectivamente”, diz Leonnam Gotardo Merizio, pesquisador de pós-doutorado no IFSC-USP e segundo autor do artigo.

Segundo Costa, o novo método tem diversas vantagens em relação à estratégia de síntese convencional.

“Na técnica convencional, você tem que pegar pequenas amostras da solução para medir o tamanho do QD, mas a técnica in situ permite que você faça isso enquanto o processo está em andamento, sem ter que interferir no meio de reação para pegar amostras, de modo que mais espectros possam ser obtidos por unidade de tempo, o volume de reação não seja afetado e desperdícios desnecessários sejam evitados. A cor de emissão dos QDs de interesse pode, portanto, ser controlada com muito mais precisão.

“O equipamento que fornece a luz de excitação via fibra óptica no comprimento de onda apropriado também coleta a luz emitida e determina sua frequência característica no RGB [red, green and blue] sistema de cores. Vale ressaltar que o controle do sistema RGB é relevante para a formação de imagens em vários dispositivos luminescentes, como monitores e displays de smartphones”, explica.

Os QDs sintetizados dessa maneira, ele acrescentou, também foram caracterizados por meio de difração de raios X, microscopia eletrônica de transmissão, espectroscopia de absorção ultravioleta-visível e espectroscopia de vibração infravermelha.

A existência de QDs foi prevista teoricamente em 1937 por Herbert Fröhlich (1905-91), um físico britânico nascido na Alemanha. Na década de 1980, Alexey Ekimov (nascido em 1945), no que era então a União Soviética, e Louis Brus (nascido em 1943), nos Estados Unidos, observaram independentemente o confinamento quântico em nanopartículas semicondutoras pela primeira vez. Na década de 1990, o físico franco-americano Moungi Bawendi (nascido em 1961) desenvolveu métodos significativamente aprimorados de síntese de QD. Em 2023, Ekimov, Brus e Bawendi receberam o Prêmio Nobel de Química por seu trabalho na área.

“O confinamento quântico dá aos QDs a capacidade de confinar elétrons em três dimensões, tornando os fenômenos quânticos mais evidentes e caracterizando-os como materiais intermediários entre átomos, moléculas e conjuntos cristalinos maiores”, diz Costa.

“Muitos artigos foram publicados sobre a síntese de QDs feitos de CdTe. A principal contribuição do nosso estudo está relacionada ao desenvolvimento e aplicação de um sistema de medição de luminescência in situ altamente versátil. A metodologia nos permitiu inferir o tamanho das nanopartículas cristalinas e caracterizar a formação de compostos intermediários nas reações químicas por associação in situ com outras técnicas que permitem análises químicas e/ou estruturais [FT-IR, Raman, DRX, etc]. Essa evolução da síntese otimiza os rendimentos químicos e economiza energia”, diz Camargo.