Pontos quânticos

Se você leu artigos científicos populares, provavelmente já se deparou com o termo “ponto quântico”. Ele aparece em todos os lugares – “pontos quânticos” para administração de medicamentos, “pontos quânticos” para exibição multicolorida, “lasers de pontos quânticos” – a lista parece interminável. Então, o que é um ponto quântico? Grosso modo, é uma pequena estrutura feita de material sólido. É tão pequeno (tipicamente consistindo de 1.000 a 10.000 átomos) que um elétron dentro dele tem seu movimento severamente restrito. Quando o movimento de um elétron é tão severamente restringido, sua energia cinética pode assumir apenas certos valores permitidos que são determinados pelo tamanho e forma do ponto, bem como pelo material que o constitui.

O arsenieto de gálio (GaAs) é um material popular usado para fazer pontos quânticos porque o comportamento do elétron neste material produz propriedades úteis do material à temperatura ambiente. Observe que 1 nanômetro = 10^-9 metro, que é cerca de 100.000 vezes menor que a espessura do cabelo humano. Como os átomos em GaAs estão espaçados aproximadamente 0,5 nm, um ponto quântico contém cerca de 25.000 átomos.

Uma propriedade importante dos pontos quânticos é sua proporção excepcionalmente grande entre área de superfície e volume. No caso de um cubo de aresta W, esta relação é 6/W; no caso de uma esfera de diâmetro D, a relação é 6/D. A proporção aumenta à medida que a dimensão do ponto (W ou D) diminui. Para uma bola de basquete com diâmetro de 0,1 m, a proporção é de 60 m^-1, mas para um ponto quântico de diâmetro de 10 nanômetros (10^-8 m), a proporção é 6×10⁸ eu^-1, que é dez milhões de vezes maior. A grande proporção entre área de superfície e volume do ponto quântico é usada em sensores químicos e biológicos. A atividade sensorial normalmente ocorre apenas na superfície e não no interior; portanto, vale a pena ter uma grande proporção entre área de superfície e volume. Pode ser benéfico substituir uma partícula grande de detecção por várias partículas minúsculas ou pontos quânticos.

Para ilustrar ainda mais essa ideia, observe que o volume da bola de basquete é 10²¹ vezes maior do que o ponto quântico que acabamos de descrever. A bola de basquete pode ser dividida em 10²¹pontos quânticos. A área de superfície combinada de todos esses pontos é 10⁷ vezes maior que a do basquete. Portanto, dividir a bola de basquete em pontos quânticos resulta em um sensor que é dez milhões de vezes mais eficaz. É por isso que os pontos quânticos são tão importantes em aplicações como detecção, distribuição direcionada de medicamentos e catálise – todas as quais exigem uma grande relação área de superfície/volume.

Os pontos quânticos também são úteis em telas multicoloridas. Eles emitem luz quando um elétron dentro do ponto passa por uma transição de um estado de maior energia (excitado) para um estado de menor energia (fundamental). A cor da luz emitida depende da diferença nas energias dos estados final e inicial que pode estar relacionada ao tamanho do ponto. Portanto, pontos quânticos de tamanhos diferentes emitirão luz de cores diferentes. Esta é a base dos displays multicoloridos.

Fabricar pontos quânticos com bom controle sobre tamanho, pureza do material e posicionamento em uma determinada superfície não é uma tarefa fácil. Duas abordagens são comuns: a “abordagem de cima para baixo”, onde um grande pedaço de material é cinzelado até um pequeno ponto quântico usando o processo de litografia e gravação. Uma ligeira variação desta abordagem é delineamento eletrostático de pontos quânticos onde almofadas de metal são colocadas sobre uma fina camada de material. Um potencial negativo é aplicado às almofadas que afasta os elétrons por baixo, deixando uma pequena poça de elétrons no centro; estes formam um ponto quântico.

A segunda abordagem é “de baixo para cima” e é conhecida como auto-montagem. Aqui, a química provoca a agregação de átomos em estruturas de tamanho bem definido (de alguns nanômetros) e forma pontos quânticos.

Automontagem dirigida é um refinamento do processo onde a formação espontânea de estruturas ocorre em um substrato padronizado que oferece locais preferenciais para nucleação de pontos quânticos. Isso também é conhecido como automontagem baseada em modelo uma vez que o substrato padronizado atua como um modelo para ordenar espacialmente os pontos quânticos.

Os pontos quânticos são entidades fascinantes que estão cada vez mais abrindo caminho para uma grande variedade de produtos comerciais e de defesa. Avanços rápidos estão sendo feitos no aperfeiçoamento dos métodos de síntese e você pode esperar ver pontos quânticos em muitos produtos que usará na próxima década.