Passando do visível para o infravermelho: desenvolvendo nanocristais de alta qualidade

Premiados com o Prêmio Nobel de Química de 2023, os pontos quânticos têm uma ampla variedade de aplicações, desde displays e luzes de LED até catálise de reações químicas e bioimagem. Esses nanocristais semicondutores são tão pequenos — na ordem de nanômetros — que suas propriedades — como a cor — são dependentes do tamanho, e eles começam a exibir propriedades quânticas. Essa tecnologia foi bem desenvolvida, mas apenas no espectro visível, deixando oportunidades inexploradas para tecnologias nas regiões ultravioleta e infravermelha do espectro eletromagnético.

Em uma nova pesquisa publicada em Síntese da NaturezaO professor de bioengenharia da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign Andrew Smith e o pesquisador de pós-doutorado Wonseok Lee desenvolveram nanocristais de seleneto de mercúrio (HgSe) e seleneto de mercúrio e cádmio (HgCdSe) que absorvem e emitem no infravermelho, feitos de precursores de seleneto de cádmio (CdSe) de espectro visível já bem desenvolvidos. Os novos produtos de nanocristais retêm as propriedades desejadas dos nanocristais de CdSe originais, incluindo tamanho, forma e uniformidade.

“Este é o primeiro exemplo de pontos quânticos infravermelhos que estão no mesmo nível de qualidade daqueles que estão no espectro visível”, diz Smith.

Embora a tecnologia de nanocristais exista há mais de 50 anos, apenas os nanocristais que operam na porção visível do espectro foram significativamente avançados. Smith explica: “Eles são uma grande parte dos dispositivos de exibição e uma grande parte de qualquer tecnologia que absorva ou emita luz. Houve apenas um impulso intrínseco para desenvolver uma tecnologia que tenha o maior mercado no final do dia.”

Além da demanda do mercado por nanocristais de espectro visível, a química é mais difícil para materiais no infravermelho, que tem comprimento de onda maior e energia menor do que a luz no espectro visível. Para atingir a absorção e emissão de luz no infravermelho, elementos mais pesados ​​que estão mais abaixo na tabela periódica devem ser usados. A química com esses elementos é mais difícil, produzindo mais reações colaterais indesejadas e reações menos previsíveis. Eles também são propensos à degradação e são suscetíveis a mudanças ambientais no ambiente, como a água.

Nanocristais de ponto quântico podem ser feitos de semicondutores elementares, como silício, ou podem ser binários ou ternários. Misturar dois elementos pode produzir muitas propriedades diferentes. Misturar três elementos juntos pode produzir exponencialmente mais propriedades.

“Temos focado neste tipo de material, uma liga ternária — seleneto de mercúrio e cádmio — porque achamos que poderia ser o material ‘perfeito’ para fazer”, diz Smith. “Você pode basicamente obter qualquer propriedade que quiser alterando a proporção de átomos de cádmio e mercúrio. Ele pode abranger esta enorme faixa do espectro eletromagnético — através de todo o infravermelho até todo o espectro visível — e obter tantas propriedades.”

Smith vinha tentando fazer esse material desde que estava na pós-graduação, sem sucesso, e mesmo na comunidade de pesquisa mais ampla, não houve relatos de sucesso, até agora.

“A maneira como fizemos isso foi pegando [one of] os já aperfeiçoados e visíveis; o seleneto de cádmio, que é considerado o ponto quântico mais desenvolvido, e o usou como um ‘molde de sacrifício’”, diz ele.

A substituição dos átomos de cádmio por átomos de mercúrio muda instantaneamente tudo para o espectro infravermelho, mantendo todas as qualidades desejadas: forte absorção de luz, forte emissão de luz e homogeneidade.

Para fazer isso, Smith e Lee tiveram que abandonar o método tradicional de síntese para nanocristais, que é misturar os elementos precursores. Sob as condições certas, eles se decompõem na forma desejada de nanocristal. Como se vê, não há condições que alguém tenha encontrado que funcionem para mercúrio, cádmio e seleneto.

“Lee desenvolveu um novo processo chamado troca catiônica aprimorada por interdifusão”, diz Smith. “Nesse processo, adicionamos um quarto elemento, prata, que introduz defeitos no material que fazem com que tudo se misture homogeneamente. E isso resolveu todo o problema.”

Embora os pontos quânticos tenham muitas aplicações, uma aplicação para pontos quânticos infravermelhos com o potencial de ter o maior impacto é para uso como sondas moleculares para imagens, onde podem ser colocadas em sistemas biológicos e detectadas em tecidos. Como a maioria dos pontos quânticos emite no espectro visível, apenas emissões perto da superfície da pele podem ser detectadas. A biologia, no entanto, é bastante transparente no infravermelho e, portanto, tecidos mais profundos podem ser sondados.

Os ratos são os modelos padrão para a maioria das doenças, e Smith explica que com pontos quânticos que emitem no infravermelho, os pesquisadores seriam capazes de ver quase completamente através de um roedor vivo para visualizar sua fisiologia e as localizações de moléculas específicas por todo o corpo. Isso permitirá uma melhor compreensão dos processos biológicos e o desenvolvimento de terapêuticas sem ter que sacrificar os ratos, potencialmente mudando o desenvolvimento de medicamentos pré-clínicos.