Os pontos quânticos são uma espécie de átomo artificial:com apenas alguns nanômetros de tamanho e feitos de materiais semicondutores, eles podem emitir luz de uma cor específica ou até mesmo fótons únicos, o que é importante para as tecnologias quânticas. Os descobridores e pioneiros da produção comercial de pontos quânticos receberam o Prêmio Nobel de Química em 2023.



Nos últimos anos, os pontos quânticos feitos de perovskitas têm atraído atenção especial. As perovskitas pertencem a uma classe de materiais que possuem estrutura semelhante à perovskita mineral (titanato de cálcio). Os pontos quânticos feitos desses materiais foram produzidos pela primeira vez pela ETH Zurich em 2015.

Esses pontos quânticos feitos de nanocristais de perovskita podem ser misturados com líquidos para formar uma dispersão, o que os torna fáceis de processar posteriormente. Além disso, as suas propriedades ópticas especiais fazem com que brilhem mais intensamente do que muitos outros pontos quânticos. Eles também podem ser produzidos de forma mais barata, o que os torna interessantes para aplicações em displays, por exemplo.

Uma equipe de pesquisadores liderada por Maksym Kovalenko da ETH Zurique e da Empa, trabalhando em colaboração com colegas na Ucrânia e nos EUA, demonstrou agora como essas propriedades promissoras dos pontos quânticos de perovskita podem ser melhoradas ainda mais. Eles usaram métodos químicos para tratamento de superfície e efeitos mecânicos quânticos que nunca haviam sido observados em pontos quânticos de perovskita. Os pesquisadores publicaram recentemente seus resultados em dois artigos na revista Nature .

Átomos infelizes reduzem o brilho

O brilho é uma medida importante para pontos quânticos e está relacionado ao número de fótons que o ponto quântico emite por segundo. Os pontos quânticos irradiam fótons de uma cor específica (e, portanto, de frequência) após serem excitados, por exemplo, por luz ultravioleta de frequência mais alta.

Isto leva à formação de um exciton composto por um elétron, que agora pode se mover mais livremente, e um buraco – em outras palavras, um elétron ausente – na estrutura da banda energética do material. O elétron excitado pode voltar a um estado de energia mais baixo e, assim, recombinar-se com o buraco. Se a energia liberada durante esse processo for convertida em fóton, o ponto quântico emite luz.

No entanto, isso nem sempre funciona. "Na superfície dos nanocristais de perovskita estão átomos 'infelizes' que não têm um vizinho na rede cristalina", explica o pesquisador sênior Gabriele Raino. Esses átomos de borda perturbam o equilíbrio entre os portadores de carga positiva e negativa dentro do nanocristal e podem fazer com que a energia liberada durante uma recombinação seja convertida em vibrações de rede em vez de ser emitida como luz. Como resultado, o ponto quântico “pisca”, o que significa que não brilha continuamente.

Revestimento protetor feito de fosfolipídios

Para evitar que isto aconteça, Kovalenko e a sua equipa desenvolveram moléculas personalizadas conhecidas como fosfolípidos. “Esses fosfolipídios são muito semelhantes aos lipossomas nos quais, por exemplo, a vacina de mRNA contra o coronavírus é incorporada de forma a torná-la estável na corrente sanguínea até chegar às células”, explica Kovalenko.

Uma diferença importante:os pesquisadores otimizaram suas moléculas para que a parte polar (eletricamente sensível) da molécula se prenda à superfície dos pontos quânticos da perovskita e garanta que os átomos “infelizes” recebam um parceiro de carga.

A parte apolar do fosfolipídio que se projeta para fora também permite transformar pontos quânticos em uma dispersão dentro de soluções não aquosas, como solventes orgânicos. O revestimento lipídico na superfície dos nanocristais de perovskita também é importante para sua estabilidade estrutural, como enfatiza Kovalenko:"Este tratamento de superfície é absolutamente essencial para qualquer coisa que possamos querer fazer com os pontos quânticos."

Até agora, Kovalenko e sua equipe demonstraram o tratamento para pontos quânticos feitos de perovskitas de haleto de chumbo, mas também pode ser facilmente adaptado a outros pontos quânticos de haleto metálico.

Ainda mais brilhante graças à superradiância

Com a superfície lipídica foi possível reduzir o piscar dos pontos quânticos a tal ponto que emitiu um fóton em 95% dos eventos de recombinação elétron-buraco. No entanto, para tornar o ponto quântico ainda mais brilhante, os investigadores tiveram de aumentar a velocidade da própria recombinação – e isso requer mecânica quântica.

Um estado excitado, como um exciton, decai quando um dipolo – cargas positivas e negativas se deslocam uma em relação à outra – interage com o campo eletromagnético do vácuo. Quanto maior o dipolo, mais rápido será o decaimento. Uma possibilidade de criar um dipolo maior envolve o acoplamento coerente de vários dipolos menores entre si. Isso pode ser comparado a relógios de pêndulo que são conectados mecanicamente e sincronizam-se após um determinado período de tempo.

Os pesquisadores conseguiram mostrar experimentalmente que o acoplamento coerente também funciona em pontos quânticos de perovskita – com apenas um único dipolo de exciton que – por meio de efeitos da mecânica quântica – se espalha por todo o volume do ponto quântico, criando assim várias cópias de si mesmo, como era. Quanto maior o ponto quântico, mais cópias podem ser criadas. Essas cópias podem provocar um efeito conhecido como superradiância, pelo qual o exciton se recombina muito mais rápido.

Conseqüentemente, o ponto quântico também está pronto para absorver um novo exciton mais rapidamente e pode, assim, emitir mais fótons por segundo, tornando-o ainda mais brilhante. Um detalhe importante a ser observado é que o ponto quântico mais rápido continua a emitir fótons únicos (e não vários fótons ao mesmo tempo), o que o torna adequado para tecnologias quânticas.

Os pontos quânticos de perovskita aprimorados não são de interesse apenas para produção e exibição de luz, diz Kovalenko, mas também em outros campos menos óbvios. Por exemplo, eles poderiam ser usados ​​como catalisadores ativados por luz em química orgânica. Kovalenko está conduzindo pesquisas sobre essas aplicações e várias outras, inclusive no âmbito da NCCR Catalysis.

Mais informações: Chenglian Zhu et al, Superradiância de fóton único em pontos quânticos individuais de haleto de césio e chumbo, Natureza (2024). DOI:10.1038/s41586-023-07001-8. www.nature.com/articles/s41586-023-07001-8
Viktoriia Morad et al, designer de ligantes de cobertura de fosfolipídios para nanocristais de haleto de metal macio, Nature (2023). DOI:10.1038/s41586-023-06932-6

Informações do diário: Natureza

Fornecido por ETH Zurique