O Prémio Nobel da Química de 2023 não é o primeiro Nobel atribuído à investigação em nanotecnologia. Mas talvez seja a aplicação mais colorida da tecnologia associada ao prêmio.



O prêmio deste ano reconhece Moungi Bawendi, Louis Brus e Alexei Ekimov pela descoberta e desenvolvimento de pontos quânticos. Durante muitos anos, essas partículas de tamanho nanométrico construídas com precisão – apenas algumas centenas de milésimos da largura de um fio de cabelo humano em diâmetro – foram as queridinhas dos discursos e apresentações sobre nanotecnologia. Como pesquisador e consultor em nanotecnologia, eu mesmo os usei ao conversar com desenvolvedores, legisladores, grupos de defesa e outros sobre as promessas e os perigos da tecnologia.

As origens da nanotecnologia são anteriores ao trabalho de Bawendi, Brus e Ekimov sobre pontos quânticos - o físico Richard Feynman especulou sobre o que poderia ser possível através da engenharia em nanoescala já em 1959, e engenheiros como Erik Drexler especulavam sobre as possibilidades de fabricação atomicamente precisa no década de 1980. No entanto, o trio de ganhadores do Nobel deste ano fez parte da primeira onda da nanotecnologia moderna, onde os pesquisadores começaram a colocar em prática os avanços da ciência dos materiais.

Os pontos quânticos apresentam fluorescência brilhante:eles absorvem uma cor de luz e a reemite quase instantaneamente como outra cor. Um frasco de pontos quânticos, quando iluminado com luz de amplo espectro, brilha com uma única cor vívida. O que os torna especiais, porém, é que sua cor é determinada pelo tamanho deles. Faça-os pequenos e você obterá um azul intenso. Torne-os maiores, embora ainda em nanoescala, e a cor mudará para vermelho.

Esta propriedade levou a muitas imagens impressionantes de fileiras de frascos contendo pontos quânticos de diferentes tamanhos, desde um azul impressionante em uma extremidade, passando por verdes e laranjas, até um vermelho vibrante na outra. Esta demonstração do poder da nanotecnologia é tão atraente que, no início dos anos 2000, os pontos quânticos se tornaram um ícone da estranheza e da novidade da nanotecnologia.

Mas, é claro, os pontos quânticos são mais do que um truque de salão visualmente atraente. Eles demonstram que interações únicas, controláveis ​​e úteis entre matéria e luz podem ser alcançadas através da engenharia da forma física da matéria – modificando o tamanho, a forma e a estrutura de objetos ou instâncias – em vez de brincar com as ligações químicas entre átomos e moléculas. A distinção é importante e está no cerne da nanotecnologia moderna.

Ignore as ligações químicas, confie na física quântica

Os comprimentos de onda da luz que um material absorve, reflete ou emite são geralmente determinados pelas ligações químicas que unem seus átomos constituintes. Brinque com a química de um material e é possível ajustar essas ligações para que dêem as cores desejadas. Por exemplo, alguns dos primeiros corantes começaram com uma substância clara como a analina, transformada através de reações químicas até a tonalidade desejada.

É uma forma eficaz de trabalhar com luz e cor, mas também resulta em produtos que desbotam com o tempo, à medida que essas ligações se degradam. Freqüentemente, também envolve o uso de produtos químicos prejudiciais aos seres humanos e ao meio ambiente.

Os pontos quânticos funcionam de maneira diferente. Em vez de depender de ligações químicas para determinar os comprimentos de onda da luz que absorvem e emitem, dependem de aglomerados muito pequenos de materiais semicondutores. É a física quântica desses aglomerados que determina quais comprimentos de onda de luz são emitidos – e isso, por sua vez, depende de quão grandes ou pequenos são os aglomerados.

Esta capacidade de ajustar o comportamento de um material simplesmente alterando seu tamanho é uma virada de jogo quando se trata da intensidade e da qualidade da luz que os pontos quânticos podem produzir, bem como de sua resistência ao branqueamento ou desbotamento, seus novos usos e - se projetados de forma inteligente - sua toxicidade.

É claro que poucos materiais são completamente atóxicos e os pontos quânticos não são exceção. Os primeiros pontos quânticos eram frequentemente baseados em seleneto de cádmio, por exemplo – cujos materiais componentes são tóxicos. No entanto, a toxicidade potencial dos pontos quânticos precisa ser equilibrada pela probabilidade de liberação e exposição e pela forma como eles se comparam às alternativas.

Desde os seus primórdios, a tecnologia de pontos quânticos evoluiu em segurança e utilidade e encontrou o seu caminho num número crescente de produtos, desde ecrãs e iluminação, até sensores, aplicações biomédicas e muito mais. No processo, algumas de suas novidades talvez tenham passado. Pode ser difícil lembrar até que ponto é um salto quântico a tecnologia que está sendo usada para promover a última geração de TVs chamativas, por exemplo.

E, no entanto, os pontos quânticos são uma parte fundamental de uma transição tecnológica que está revolucionando a forma como as pessoas trabalham com átomos e moléculas.

'Codificação básica' em nível atômico

Em meu livro “Filmes do Futuro:a Tecnologia e Moralidade dos Filmes de Ficção Científica”, escrevo sobre o conceito de “codificação básica”. A ideia é simples:se as pessoas conseguirem manipular o código mais básico que define o mundo em que vivemos, poderemos começar a redesenhá-lo e a reengenhará-lo.

Este conceito é intuitivo quando se trata de computação, onde os programadores utilizam o “código base” de 1, se 0, embora através de linguagens de nível superior. Também faz sentido na biologia, onde os cientistas estão a tornar-se cada vez mais adeptos da leitura e escrita do código base do ADN e do ARN – neste caso, utilizando as bases químicas adenina, guanina, citosina e timina como linguagem de codificação.

Esta capacidade de trabalhar com códigos básicos também se estende ao mundo material. Aqui, o código é composto de átomos e moléculas e como eles são organizados de maneiras que levam a novas propriedades.

O trabalho de Bawendi, Brus e Ekimov sobre pontos quânticos é um exemplo perfeito dessa forma de codificação de base do mundo material. Ao formar com precisão pequenos aglomerados de átomos específicos em “pontos” esféricos, eles foram capazes de explorar novas propriedades quânticas que de outra forma seriam inacessíveis. Através do seu trabalho, eles demonstraram o poder transformador que advém da codificação com átomos.

Eles abriram caminho para uma codificação de base em nanoescala cada vez mais sofisticada, que agora está levando a produtos e aplicações que não seriam possíveis sem ela. E fizeram parte da inspiração para uma revolução nanotecnológica que continua até hoje. A reengenharia do mundo material destas novas formas transcende em muito o que pode ser alcançado através de tecnologias mais convencionais.

Esta possibilidade foi capturada num relatório do Conselho Nacional de Ciência e Tecnologia dos EUA de 1999, com o título Nanotecnologia:Moldando o Átomo Mundial pelo Átomo. Embora não mencione explicitamente os pontos quânticos – uma omissão que tenho certeza que os autores estão agora se culpando – ele capturou o quão transformadora poderia ser a capacidade de projetar materiais em escala atômica.

Essa formação do mundo em nível atômico é exatamente o que Bawendi, Brus e Ekimov aspiravam através de seu trabalho inovador. Eles foram alguns dos primeiros "codificadores de base" de materiais, pois usaram engenharia atomicamente precisa para aproveitar a física quântica de pequenas partículas - e o reconhecimento do comitê do Nobel sobre a importância disso é bem merecido.

Fornecido por The Conversation

Este artigo foi republicado de The Conversation sob uma licença Creative Commons. Leia o artigo original.