05/10/2023

Prêmio Nobel de Química 2023

O Prêmio Nobel de Química da Academia Real Sueca de Ciências este ano foi laureado a três pesquisadores, Prof. Moungi G. Bawendi (MIT/USA), Louis E. Brus (Universidade da Columbia/USA) e Alexei I. Ekimov (Nanocristals Technology, USA). Eles descobriram, desenvolveram e aplicaram pontos quânticos de materiais semicondutores (quantum dots em inglês) estudando suas propriedades ópticas e eletrônicas. Pontos quânticos, são estruturas cristalinas usualmente menores que 10 nm preparadas de materiais semicondutores e que possuem propriedades ópticas determinadas pelo seu tamanho, demonstrando hoje grande importância no campo nanotecnológico. Temos, como exemplo geral a televisão a base de Q-LED, como exemplo, o termo ”Q” vem dos quantum dots onde o meio emissor de luz de cada um dos milhares de LEDs responsáveis pela imagem na tela contém estes nanocristais altamente fluorescentes. Outro exemplo são pontos quânticos aplicados a células fotovoltaicas para aumento de sua eficiência. Entre outras aplicações, os pontos quânticos vêm sendo utilizados desde o fim dos anos 90 como marcadores fluorescentes de células, uma vez que tendo tamanhos tão diminutos, podem ser introduzidos nestes sistemas, e através de sua fluorescência, podem servir como nanolanternas para estudo de ambientes celulares e teciduais. Estes pontos quânticos são produzidos a partir de reações aparentemente simples de precipitação em meio líquido ou sólido entre cátions de metais de transição e ânions calcogênios, e a maioria dos estudos que levaram os laureados a resultados tão interessantes foram realizados com membros dos grupos 2-16 da Tabela periódica. Nos anos 1980 a tendência de passarmos do mundo microscópico para o nanoscópico também fez sucesso com os cientistas da área de catálise heterogênea, como a fotocatálise aplicando materiais semicondutores. A ideia era que se a resposta dos materiais melhorava com o aumento da área superficial, então no mundo “nano” era de se esperar um aumento ainda maior. No entanto propriedades inesperadas destes materiais chamaram atenção, tais como a alteração brusca das propriedades ópticas quando se alcançavam tamanhos de fato reduzidos. Em paralelo vários cientistas que trabalhavam com óptica de materiais semicondutores (em destaque o Prof Elimov e Prof Brus) haviam previsto, teoricamente, que abaixo de determinados tamanhos, dependendo da natureza do material semicondutor, a formação do chamado éxciton (par elétron buraco ainda ligado por interação columbiana, e resultante de excitação dos elétrons da camada de valência dos semicondutores) teria um raio característico e que se, por ventura o tamanho dos cristalitos fosse menor que o tamanho teórico destas espécies, esta espécie teria que modular sua descrição energética como previsto no modelo da partícula na caixa. Neste sentido tanto Prof. Ekimov quanto Prof. Brus trouxeram relevantes contribuições para fundamentar o que seria descrito como a quantização dos éxcitons, e estruturas nanométricas seriam consideradas como quantizadas em 3D, e foram cunhadas de pontos quânticos. Cientistas conseguiram provar este conceito experimentalmente através do crescimento de nanocristais em meio sólido, em matrizes vítreas, induzindo o crescimento via nucleação controlada termicamente, de cátions metálicos e íons calcogênios, como o CdTe, PbS e muitos outros, nas décadas de 1980 e 1990. Nestas décadas, foi também estudado o crescimento destas nanoestruturas em meio coloidal, usando técnicas relativamente fáceis, induzindo a precipitação controlada pela presença de agentes surfactantes e a maioria em atmosfera inerte para evitar a competição com oxigênio, também calcogênio. Nesta época, o Prof. Bawendi  e colaboradores, se destacaram em demonstrar processos de obtenção e caracterização estrutural ultrafina de pontos quânticos de CdSe e CdTe em meio coloidal hidrofóbico, constituindo uma base firme para a compreensão físico-química de muito que se tem hoje em dia destes materiais. No fim dos anos 1990, mais precisamente em 1998,o  Prof Bawendi publicou um trabalho (em paralelo a um pesquisador da UCLA, também que se destacou na área, Paul Alivisatos) demonstrando que estes pontos quânticos poderiam ser associados especificamente a componentes celulares, constituindo uma nova plataforma de marcadores celulares e teciduais. Nesta época estava finalizando meu doutorado aqui na Universidade Federal de Pernambuco, sob orientação de Prof Celso de Melo Donegá, preparando pontos quânticos em meio coloidal aquoso, visando aplicações diversas. Posteriormente, já como docente na UFPE, em colaboração com pesquisadores tanto da UNICAMP (Prof. Carlos Lenz e Profa. Adriana Fontes/UFPE) quanto da UFRJ (Prof. Vivaldo Moura), conseguimos marcar astrócitos, neurônios e glias, observando através de microscopia de fluorescência o uso destes nanosistemas altamente fluorescentes para enxergar o mundo biológico microscópico. Estes resultados foram apresentados na palestra de abertura da Reunião anual da SBQ que ocorreu em Salvador em 2004 pelo Prof. Osvaldo Alves (UNICAMP – in memoria), como novos materiais promissores desta área. Hoje encontramos estes sistemas vendidos comercialmente e com propriedades ópticas e estruturais otimizadas, servindo de nanoplataformas para ancoragem de múltiplos sistemas, permitindo múltiplas funcionalidades, somadas à fluorescência. O domínio de técnicas de caracterizações sofisticadas nos permitem definir a natureza das interações na superfície destes materiais, quantas espécies estão associadas a ela e quais alterações ópticas podemos utilizar para fins inclusive de monitoramento do ambiente que eles se encontram, evidenciando fins analíticos. Novos materiais semiconsutores com composições binárias, ternárias e quaternárias estão diariamente sendo reportados, mas agora, com as bases descritas de forma consistente por estes três cientistas laureados, o céu é o limite para as aplicações e inovações tecnológicas destes materiais.

Adriana Fontes – Departamento de Biofísica e Radiobiologia da UFPE - adriana.fontes@ufpe.br
Beate S. Santos – Departamento de Ciências Farmacêuticas da UFPE - beate.santos@ufpe.br