Três cientistas baseados nos EUA ganharam na quarta-feira o Prémio Nobel da Química pelo seu trabalho em pontos quânticos – pequenas partículas com apenas alguns átomos de diâmetro que podem libertar luz colorida muito brilhante e cujas aplicações na vida quotidiana incluem a eletrônica e a imagiologia médica.

Moungi Bawendi, do MIT; Louis Brus, da Universidade de Columbia; e Alexei Ekimov, da Nanocrystals Technology Inc., foram homenageados por seu trabalho com as partículas que “têm propriedades únicas e agora espalham sua luz a partir de telas de televisão e lâmpadas LED”, segundo a Real Academia Sueca de Ciências, que anunciou o prêmio em Estocolmo.

“Eles catalisam reações químicas e sua luz clara pode iluminar o tecido tumoral para um cirurgião”, disse a academia.

Os elétrons dos pontos quânticos têm movimento restrito, o que afeta a forma como eles absorvem e liberam luz visível, permitindo cores muito brilhantes.

Os pontos são nanopartículas que brilham em azul, vermelho ou verde quando iluminados ou expostos à luz. A cor que emitem depende do tamanho das partículas. Os pontos maiores brilham em vermelho e os pontos menores brilham em azul. A mudança de cor se deve à forma como os elétrons agem de maneira diferente em espaços mais ou menos confinados.

Embora os físicos tivessem previsto essas propriedades de mudança de cor já na década de 1930, a criação de pontos quânticos de tamanhos específicos controlados não seria possível em laboratório por mais cinco décadas.

Num vazamento altamente incomum, a mídia sueca divulgou os nomes dos vencedores antes do prêmio ser anunciado.

"Foi enviado um comunicado à imprensa por razões ainda desconhecidas. Estivemos muito ativos esta manhã para descobrir exatamente o que aconteceu", disse Hans Ellegren, secretário-geral da academia, durante a coletiva de imprensa onde o prêmio foi anunciado. "Isso é muito lamentável e lamentamos profundamente o que aconteceu."

A academia, que atribui os prémios de física, química e economia, pede nomeações com um ano de antecedência a milhares de professores universitários e outros académicos de todo o mundo.

Um comitê para cada prêmio discute os candidatos em uma série de reuniões ao longo do ano. Ao final do processo, o comitê apresenta uma ou mais propostas a toda a academia para votação. As deliberações, incluindo os nomes dos indicados que não os vencedores, são mantidas confidenciais por 50 anos.

Ekimov, 78, e Brus, 80, são os pioneiros da tecnologia reconhecida nesta quarta-feira, enquanto Bawendi, 62, é creditado por revolucionar a produção de pontos quânticos "resultando em partículas quase perfeitas. Essa alta qualidade foi necessária para que fossem utilizados em aplicações", disse a academia.

Bawendi disse em entrevista coletiva que estava “muito surpreso, sonolento, chocado, inesperado e muito honrado”.

“A comunidade percebeu as implicações em meados dos anos 90, de que poderia haver algumas aplicações no mundo real”, disse Bawendi.

Questionado sobre o vazamento, ele disse que não sabia do prêmio até ser chamado pela academia.

Na terça-feira, o prêmio de física foi para a física franco-sueca Anne L'Huillier, o cientista francês Pierre Agostini e o húngaro Ferenc Krausz por produzirem o primeiro vislumbre em uma fração de segundo do mundo super-rápido dos elétrons em rotação .

Na segunda-feira, a húngara-americana Katalin Karikó e o americano Drew Weissman ganharam o Prémio Nobel da Medicina pelas descobertas que permitiram a criação de vacinas de mRNA contra a COVID-19.

O prêmio de química significa que a temporada do Nobel chegou à metade. Seguem-se os prémios de literatura, paz e economia, com um anúncio todos os dias da semana até 9 de outubro.

A Fundação Nobel aumentou o prêmio em dinheiro em 10% este ano, para 11 milhões de coroas suecas (cerca de US$ 1 milhão). Além do dinheiro, os vencedores recebem uma medalha de ouro de 18 quilates e um diploma quando recebem o Prêmio Nobel nas cerimônias de premiação em dezembro.

A Real Academia Sueca de Ciências decidiu atribuir o Prémio Nobel da Química 2023 a

Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT), Cambridge, MA, EUA

Universidade de Columbia, Nova York, NY, EUA

O Prémio Nobel da Química 2023 premeia a descoberta e o desenvolvimento de pontos quânticos, nanopartículas tão pequenas que o seu tamanho determina as suas propriedades. Esses menores componentes da nanotecnologia agora espalham sua luz a partir de televisores e lâmpadas LED, e também podem orientar os cirurgiões na remoção de tecido tumoral, entre muitas outras coisas.

Todo mundo que estuda química aprende que as propriedades de um elemento são governadas por quantos elétrons ele possui. No entanto, quando a matéria encolhe para nanodimensões surgem fenômenos quânticos; estes são governados pelo tamanho do assunto. Os ganhadores do Prêmio Nobel de Química de 2023 conseguiram produzir partículas tão pequenas que suas propriedades são determinadas por fenômenos quânticos. As partículas, chamadas de pontos quânticos, são hoje de grande importância na nanotecnologia.

"Os pontos quânticos têm muitas propriedades fascinantes e incomuns. É importante ressaltar que eles têm cores diferentes dependendo do seu tamanho", diz Johan Åqvist, presidente do Comitê do Nobel de Química.

Os físicos sabiam há muito tempo que, em teoria, efeitos quânticos dependentes do tamanho poderiam surgir em nanopartículas, mas naquela época era quase impossível esculpir em nanodimensões. Portanto, poucas pessoas acreditavam que esse conhecimento seria colocado em prática.

No entanto, no início da década de 1980, Alexei Ekimov conseguiu criar efeitos quânticos dependentes do tamanho em vidro colorido. A cor veio de nanopartículas de cloreto de cobre e Ekimov demonstrou que o tamanho das partículas afetava a cor do vidro por meio de efeitos quânticos.

Alguns anos depois, Louis Brus foi o primeiro cientista do mundo a provar efeitos quânticos dependentes do tamanho em partículas flutuando livremente num fluido.

Em 1993, Moungi Bawendi revolucionou a produção química de pontos quânticos , resultando em partículas quase perfeitas. Essa alta qualidade era necessária para que pudessem ser utilizados nas aplicações.

Os pontos quânticos agora iluminam monitores de computador e telas de televisão baseados na tecnologia QLED. Eles também acrescentam nuances à luz de algumas lâmpadas LED, e bioquímicos e médicos as utilizam para mapear tecidos biológicos.

Os pontos quânticos estão, portanto, trazendo o maior benefício para a humanidade. Os investigadores acreditam que no futuro poderão contribuir para a eletrônica flexível, sensores minúsculos, células solares mais finas e comunicação quântica encriptada – por isso acabámos de começar a explorar o potencial destas partículas minúsculas .

Moungi G. Bawendi, Louis E. Brus e Alexei I. Ekimov recebem o Prêmio Nobel de Química 2023 pela descoberta e desenvolvimento de pontos quânticos. Estas minúsculas partículas têm propriedades únicas e agora espalham a sua luz a partir de ecrãs de televisão e lâmpadas LED. Eles catalisam reações químicas e sua luz clara pode iluminar o tecido tumoral para um cirurgião.

“Toto, tenho a sensação de que não estamos mais no Kansas”, é uma citação clássica do filme O Mágico de Oz.

Dorothy, de 12 anos, desmaia na cama quando sua casa é varrida por um poderoso tornado, mas quando a casa cai novamente e ela sai pela porta com seu cachorro Toto nos braços, tudo mudou. De repente, ela está em um mundo mágico e colorido.

Se um tornado encantado entrasse em nossas vidas e reduzisse tudo a nanodimensões, quase certamente ficaríamos tão surpresos quanto Dorothy na terra de Oz. Nosso entorno seria deslumbrantemente colorido e tudo mudaria. Nossos brincos de ouro de repente brilhariam em azul, enquanto o anel de ouro em nosso dedo brilharia em um vermelho rubi. Se tentássemos fritar alguma coisa no fogão a gás, a frigideira poderia derreter. E as nossas paredes brancas – cuja tinta contém dióxido de titânio – começariam a gerar muitas espécies reativas de oxigênio.

No nanomundo, as coisas realmente se comportam de maneira diferente. Quando o tamanho da matéria começa a ser medido em milionésimos de milímetro, começam a ocorrer fenômenos estranhos – efeitos quânticos – que desafiam a nossa intuição. Os ganhadores do Nobel de Química de 2023 foram todos pioneiros na exploração do nanomundo. No início da década de 1980, Louis Brus e Alexei Ekimov conseguiram criar - independentemente um do outro - pontos quânticos, que são nanopartículas tão pequenas que os efeitos quânticos determinam as suas características. Em 1993, Moungi Bawendi revolucionou os métodos de produção de pontos quânticos, tornando a sua qualidade extremamente elevada – um pré-requisito vital para a sua utilização na nanotecnologia actual.

Graças ao trabalho dos laureados, a humanidade é agora capaz de utilizar algumas das propriedades peculiares do nanomundo. Os pontos quânticos são agora encontrados em produtos comerciais e utilizados em muitas disciplinas científicas, desde a física e a química até à medicina – mas estamos a adiantar-nos. Vamos descobrir os antecedentes do Prêmio Nobel de Química 2023.

Quando Alexei Ekimov e Louis Brus produziram os primeiros pontos quânticos, os cientistas já sabiam que eles poderiam – em teoria – ter características incomuns. Em 1937, o físico Herbert Fröhlich já havia previsto que as nanopartículas não se comportariam como outras partículas. Ele explorou as consequências teóricas da famosa equação de Schrödinger, que mostra que quando as partículas se tornam extremamente pequenas há menos espaço para os elétrons do material. Por sua vez, os elétrons – que são ondas e partículas – são comprimidos uns contra os outros. Fröhlich percebeu que isso resultaria em mudanças drásticas nas propriedades do material.

Os investigadores ficaram fascinados por esta descoberta e, usando ferramentas matemáticas, conseguiram prever numerosos efeitos quânticos dependentes do tamanho. Eles também trabalharam para tentar demonstrá-los na realidade, mas era mais fácil falar do que fazer porque precisavam esculpir uma estrutura cerca de um milhão de vezes menor que a cabeça de um alfinete.

Ainda assim, na década de 1970, os investigadores conseguiram criar tal nanoestrutura. Usando um tipo de feixe molecular, eles criaram uma camada nanofina de material de revestimento sobre um material a granel. Concluída a montagem, eles conseguiram mostrar que as propriedades ópticas do revestimento variavam dependendo de quão fino ele era, uma observação que correspondeu às previsões da mecânica quântica.

Este foi um grande avanço, mas o experimento exigiu tecnologia muito avançada. Os pesquisadores precisavam de um vácuo ultra-alto e de temperaturas próximas do zero absoluto, então poucas pessoas esperavam que os fenômenos da mecânica quântica fossem colocados em uso prático. Porém, de vez em quando a ciência oferece o inesperado e, desta vez, o ponto de viragem deveu-se aos estudos de uma invenção antiga: o vidro colorido.

As descobertas arqueológicas mais antigas de vidro colorido datam de vários milhares de anos atrás. Os fabricantes de vidro testaram o seu caminho para compreender como o vidro pode ser produzido em todas as cores do arco-íris.

Eles adicionaram substâncias como prata, ouro e cádmio e depois brincaram com diferentes temperaturas para produzir lindos tons de vidro.

Nos séculos XIX e XX, quando os físicos começaram a investigar as propriedades ópticas da luz, o conhecimento dos fabricantes de vidro foi colocado em prática. Os físicos poderiam usar vidro colorido para filtrar comprimentos de onda de luz selecionados. Para otimizar seus experimentos, eles próprios começaram a produzir vidro, o que gerou insights importantes. Uma coisa que aprenderam foi que uma única substância poderia resultar em vidros de cores completamente diferentes. Por exemplo, uma mistura de seleneto de cádmio e sulfeto de cádmio poderia fazer o vidro ficar amarelo ou vermelho – qual deles se tornaria dependia de quanto o vidro fundido foi aquecido e como foi resfriado. Eventualmente, eles também conseguiram mostrar que as cores vinham das partículas que se formavam dentro do vidro e que a cor dependia do tamanho das partículas.

Este era mais ou menos o estado do conhecimento no final da década de 1970, quando um dos laureados deste ano, Alexei Ekimov, recém-doutorado, começou a trabalhar no Instituto Óptico do Estado SI Vavilov, no que era então a União Soviética.

O fato de uma única substância poder resultar em vidros de cores diferentes interessou Alexei Ekimov, porque na verdade é ilógico. Se você pintar um quadro em vermelho cádmio, ele sempre será vermelho cádmio, a menos que você misture outros pigmentos. Então, como poderia uma única substância dar vidro de cores diferentes?

Durante seu doutorado, Ekimov estudou semicondutores – componentes importantes em microeletrônica.

Neste campo, métodos ópticos são utilizados como ferramentas de diagnóstico para avaliar a qualidade de materiais semicondutores. Os pesquisadores iluminam o material e medem a absorvância. Isso revela de quais substâncias o material é feito e quão bem ordenada é a estrutura cristalina.

Ekimov estava familiarizado com esses métodos, então começou a usá-los para examinar vidros coloridos. Após algumas experiências iniciais, ele decidiu produzir sistematicamente vidro tingido com cloreto de cobre. Ele aqueceu o vidro fundido a uma faixa de temperaturas entre 500°C e 700°C, variando o tempo de aquecimento de 1 hora a 96 horas. Depois que o vidro esfriou e endureceu, ele fez uma radiografia.

Os raios espalhados mostraram que minúsculos cristais de cloreto de cobre se formaram dentro do vidro e o processo de fabricação afetou o tamanho dessas partículas. Em algumas das amostras de vidro tinham apenas cerca de dois nanômetros, em outras chegavam a 30 nanômetros.

Curiosamente, descobriu-se que a absorção de luz do vidro foi afetada pelo tamanho das partículas.

As partículas maiores absorveram a luz da mesma forma que o cloreto de cobre normalmente o faz, mas quanto menores as partículas, mais azulada será a luz que absorveram. Como físico, Ekimov estava bem familiarizado com as leis da mecânica quântica e rapidamente percebeu que havia observado um efeito quântico dependente do tamanho (fgura 3).

Esta foi a primeira vez que alguém conseguiu produzir deliberadamente pontos quânticos – nanopartículas que causam efeitos quânticos dependentes do tamanho. Em 1981, Ekimov publicou a sua descoberta numa revista científica soviética, mas o acesso foi difícil para os investigadores do outro lado da Cortina de Ferro. Portanto, o próximo prémio Nobel da Química deste ano – Louis Brus – não tinha conhecimento da descoberta de Alexei Ekimov quando, em 1983, foi o primeiro investigador do mundo a descobrir efeitos quânticos dependentes do tamanho em partículas que flutuavam livremente numa solução.

Brus mostra que as estranhas propriedades das partículas são efeitos quânticos

Louis Brus estava trabalhando nos Laboratórios Bell, nos EUA, com o objetivo de longo prazo de fazer acontecer reações químicas usando energia solar. Para conseguir isso, ele usou partículas de sulfeto de cádmio, que podem capturar luz e depois utilizar sua energia para impulsionar reações. As partículas estavam em solução e Brus as tornou muito pequenas, porque isso lhe deu uma área maior onde as reações químicas poderiam ocorrer; quanto mais um material for picado, maior será a área de superfície que ele exporá ao seu entorno.

Durante seu trabalho com essas minúsculas partículas, Brus notou algo estranho: suas propriedades ópticas mudaram depois que ele as deixou na bancada do laboratório por um tempo. Ele imaginou que isso poderia ocorrer porque as partículas haviam crescido, então, para confirmar suas suspeitas, ele produziu partículas de sulfeto de cádmio com cerca de 4,5 nanômetros de diâmetro. Brus então comparou as propriedades ópticas dessas partículas recém-fabricadas com as das partículas maiores, que tinham um diâmetro de cerca de 12,5 nanômetros. As partículas maiores absorveram luz nos mesmos comprimentos de onda que o sulfeto de cádmio geralmente faz, mas as partículas menores tiveram uma absorção que mudou para o azul.

Assim como Ekimov, Brus entendeu que havia observado um efeito quântico dependente do tamanho. Ele publicou sua descoberta em 1983 e então começou a investigar partículas feitas de uma série de outras substâncias. O padrão era o mesmo: quanto menores as partículas, mais azul era a luz que elas absorviam.

É aqui que você pode ficar tentado a perguntar: "Por que é importante se a absorbância de uma substância é um pouco mais próxima do azul? Por que isso é tão incrível?"

Pois bem, as mudanças ópticas revelaram que as características da substância haviam mudado completamente. As propriedades ópticas de uma substância são governadas por seus elétrons. Os mesmos elétrons também governam outras propriedades da substância, como sua capacidade de catalisar reações químicas ou de conduzir eletricidade.

Assim, quando os investigadores detectaram a alteração na absorção, compreenderam que, em princípio, estavam a olhar para um material inteiramente novo.

Se você quiser entender a magnitude dessa descoberta, pode imaginar que a tabela periódica ganhou repentinamente uma terceira dimensão. As propriedades de um elemento não são afetadas apenas pelo número de camadas eletrônicas e quantos elétrons existem na camada externa, mas, no nível nano, o tamanho também é importante. Um químico que desejasse desenvolver um novo material tinha, portanto, outro fator com o qual brincar – é claro que isso estimulava a imaginação dos pesquisadores!

Houve apenas um problema. Os métodos que Brus usou para fabricar não-partículas geralmente resultavam em qualidade imprevisível. Os pontos quânticos são cristais minúsculos e os que podiam ser produzidos naquela época muitas vezes continham defeitos. Eles também eram de tamanhos variados. Era possível controlar como os cristais eram formados para que as partículas tivessem um determinado tamanho médio, mas se os investigadores quisessem que todas as partículas numa solução tivessem aproximadamente o mesmo tamanho, teriam de separá-las depois de serem feitas. Este foi um processo difícil que atrapalhou o desenvolvimento.

Este foi um problema que o terceiro ganhador do Prêmio Nobel de Química deste ano decidiu resolver.

Moungi Bawendi iniciou seu pós-doutorado no laboratório de Louis Brus em 1988, onde estava em andamento um trabalho intensivo para melhorar os métodos usados para produzir pontos quânticos. Usando uma variedade de solventes, temperaturas e técnicas, eles experimentaram uma variedade de substâncias para tentar formar nanocristais bem organizados. E os cristais estavam melhorando, mas ainda não eram bons o suficiente.

No entanto, Bawendi não desistiu. Quando começou a trabalhar como líder de pesquisa no Instituto de Tecnologia de Massachusetts, MIT, ele continuou seus esforços para produzir nanopartículas de maior qualidade. O grande avanço ocorreu em 1993, quando o grupo de pesquisa injetou as substâncias que formariam os nanocristais em um solvente aquecido e cuidadosamente escolhido. Eles injetaram a quantidade necessária de substâncias para saturar com precisão a solução, o que fez com que minúsculos embriões de cristal começassem a se formar simultaneamente.

Então, variando dinamicamente a temperatura da solução, Moungi Bawendi e seu grupo de pesquisa conseguiram cultivar nanocristais de tamanho específico. Durante esta fase, o solvente ajudou a dar aos cristais uma superfície lisa e uniforme.

Os nanocristais produzidos por Bawendi eram quase perfeitos, dando origem a efeitos quânticos distintos.

Como o método de produção era fácil de usar, ele foi revolucionário – cada vez mais químicos começaram a trabalhar com nanotecnologia e a investigar as propriedades únicas dos pontos quânticos.

As propriedades luminosas dos pontos quânticos encontram usos comerciais

Trinta anos depois, os pontos quânticos são agora uma parte importante da caixa de ferramentas da nanotecnologia e são encontrados em produtos comerciais. Os pesquisadores utilizaram principalmente pontos quânticos para criar luz colorida. Se os pontos quânticos forem iluminados com luz azul, eles absorvem a luz e emitem uma cor diferente. Modificar o tamanho das partículas permite determinar exatamente a cor que elas devem brilhar.

As propriedades luminosas dos pontos quânticos são utilizadas em telas de computador e televisão baseadas na tecnologia QLED, onde Q significa ponto quântico. Nessas telas, a luz azul é gerada usando diodos energeticamente eficientes que foram reconhecidos com o Prêmio Nobel de Física de 2014. Os pontos quânticos são usados para mudar a cor de parte da luz azul, transformando-a em vermelha ou verde. Isto torna possível produzir as três cores primárias de luz necessárias em uma tela de televisão.

Da mesma forma, pontos quânticos são usados em algumas lâmpadas LED para ajustar a luz fria dos diodos. A luz pode então tornar-se tão energizante como a luz do dia ou tão calmante como o brilho quente de uma lâmpada escurecida.

A luz dos pontos quânticos também pode ser usada em bioquímica e medicina. Os bioquímicos atribuem pontos quânticos a biomoléculas para mapear células e órgãos. Os médicos começaram a investigar o uso potencial de pontos quânticos para rastrear tecido tumoral no corpo. Em vez disso, os químicos usam as propriedades catalíticas dos pontos quânticos para conduzir reações químicas.

Os pontos quânticos estão, portanto, trazendo os maiores benefícios para a humanidade e apenas começamos a explorar o seu potencial. Os pesquisadores acreditam que, no futuro, os pontos quânticos podem contribuir para a eletrônica flexível, sensores minúsculos, células solares mais finas e talvez para a comunicação quântica criptografada. Uma coisa é certa: ainda há muito a aprender sobre fenômenos quânticos surpreendentes. Então, se houver uma criança de 12 anos

Dorothy está em busca de aventura, o nanomundo tem muito a oferecer.