Artigo em destaque: Sinergia entre óxido de grafeno e pontos quânticos para dispositivos mais sensíveis.



Frente ao interesse por dispositivos cada vez menores e de desempenho cada vez melhor, novos materiais funcionais de baixíssimas dimensões são bem-vindos. Ainda mais se as suas propriedades podem ser afinadas para atender às necessidades de cada aplicação.

Uma equipe científica brasileira desenvolveu um nanocompósito formado por folhas bidimensionais de óxido de grafeno reduzido (rGO) e pontos quânticos ultrapequenos, e encontrou a forma de ajustar as suas propriedades elétricas e ópticas, aproveitando a sinergia entre ambos os componentes. A descoberta abre possibilidades de uso desse nanomaterial no desenvolvimento de dispositivos mais sensíveis e com novas funcionalidades, para áreas como energia e saúde.

“Com os resultados surpreendentes e inovadores deste trabalho abre-se uma vertente de desenvolvimento de novos nanocompósitos visando à formação de recursos humanos e aplicações tecnológicas de ampla aplicabilidade”, afirma o professor Noelio Oliveira Dantas (UFAL e UFU), autor correspondente do artigo que reporta a descoberta em The Journal of Physical Chemistry C.

 De Minas a Alagoas

A pesquisa começou em 2016 em Minas Gerais, na Universidade Federal de Uberlândia (UFU), dentro do doutorado de Rosinildo Fideles do Nascimento, sob orientação dos professores Noelio Dantas e Anielle Christine Almeida Silva, pesquisadores com bastante experiência em novos materiais nanoestruturados, incluindo relevantes contribuições à síntese de pontos quânticos.

No Instituto de Física da UFU, mais precisamente no Laboratório de Novos Materiais Isolantes e Semicondutores, foram sintetizados e caracterizados o óxido de grafeno reduzido (derivado do grafeno que vem sendo amplamente utilizado dentro e fora do meio acadêmico) e os pontos quânticos ultrapequenos (partículas de menos de 5 nm com propriedades ópticas e eletrônicas únicas, devidas aos fenômenos quânticos que ocorrem nessa escala dimensional). Bom condutor da eletricidade, o rGO não tem, porém, comportamento semicondutor. Em compensação, a grande área superficial das folhas bidimensionais de rGO consegue acomodar de forma homogênea boas quantidades de partículas semicondutoras, como os pontos quânticos.

Mas, voltando à história deste trabalho, os pesquisadores prepararam pontos quânticos compostos por um núcleo de seleneto de cádmio (CdSe) de cerca de 1,5 nm e uma casca de sulfeto de cádmio (CdS) de menos de 1 nm. O passo seguinte foi realizado em Alagoas. De fato, em 2018, os professores Noelio e Anielle foram transferidos por meio de um processo de redistribuição de vagas para a universidade federal desse estado, a UFAL, onde criaram o Laboratório de Novos Materiais Nanoestruturados e Funcionais. Ali, Rosinildo e seus orientadores utilizaram os nanomateriais preparados na UFU para desenvolver o nanocompósito.

Com o objetivo de investigar o efeito da concentração dos pontos quânticos nas propriedades ópticas e elétricas do nanocompósito, eles produziram e caracterizaram quatro versões do material, cada uma com uma determinada proporção de rGO e pontos quânticos. Os nanocompósitos foram obtidos utilizando um método que ativa grupos de átomos presentes no rGO (carboxilas) e os predispõe a interagir com grupos presentes nas cascas dos pontos quânticos (hidroxilas). No final do processo, os dois componentes ficam fortemente ligados por meio do compartilhamento de pares de elétrons (união covalente), formando o nanocompósito.

À esquerda, a figura representa a estrutura do nanocompósito, com os pontos quânticos ultra pequenos (em amarelo e vermelho) intercalados na estrutura do óxido de grafeno reduzido (azul), À direita, gráficos que mostram a resposta elétrica das amostras.
À esquerda, a figura representa a estrutura do nanocompósito, com os pontos quânticos ultra pequenos (em amarelo e vermelho) intercalados na estrutura do óxido de grafeno reduzido (azul), À direita, gráficos que mostram a resposta elétrica das amostras.

Sinergia entre nanomateriais

Depois de sintetizar os materiais, os cientistas se valeram da infraestrutura disponível em três laboratórios do Instituto de Física da UFAL para investigar experimentalmente a influência da concentração de pontos quânticos nas propriedades dos nanocompósitos. Esta parte do trabalho envolveu a colaboração de professores, doutorandos e um pós-doc de quatro grupos de pesquisa da universidade.

A partir dos resultados desse estudo colaborativo, Rosinildo e seus orientadores confirmaram que, no nanocompósito, os pontos quânticos transferem portadores de carga (elétrons e buracos) para o rGO. Entretanto, a principal contribuição do trabalho foi demonstrar que a taxa dessa transferência de portadores de carga pode ser ajustada ao aumentar ou diminuir a concentração de pontos quânticos no material.

“Com a concentração de pontos quânticos apropriada temos uma maior resposta elétrica do nanocompósito, possibilitando o desenvolvimento de novos dispositivos mais sensíveis e funcionais”, destaca a professora Anielle, também autora correspondente do trabalho.

Aplicações

Ao iluminar o nanocompósito com a radiação adequada, os pontos quânticos absorvem a luz, a qual excita e mobiliza seus portadores de carga, que são transferidos para o rGO. O efeito se detém quando a iluminação é retirada. Com essas características, uma das aplicações mais evidentes do nanocompósito é em células solares de pontos quânticos. Nesses dispositivos ainda experimentais, mas cuja eficiência vem aumentando anualmente, são usados pontos quânticos que absorvem radiação na faixa da luz solar. A alta transferência de cargas para o rGO seria, neste caso, um diferencial.

Contudo, outros usos são também promissores. O grupo dos professores Noelio e Anielle conta com a colaboração de pesquisadores especializados no desenvolvimento de sensores e aplicações biomédicas. “Estamos finalizando novos trabalhos em que demonstramos o excelente potencial desses nanocompósitos na melhoria da resposta elétrica em sensores, bem como a sua biocompatibilidade e desenvolvimento de novas ferramentas teranósticas”, revela a professora Anielle. Plataformas teranósticas são sistemas, geralmente nanométricos, capazes de diagnosticar, tratar e monitorar problemas de saúde.

“O uso desses nanocompósitos é vasto, de aplicações tecnológicas (energia solar, sensores) a nanobiotecnológicas (sensores biológicos, ferramentas teranósticas)”, diz o professor Noelio. “O Brasil precisa investir em pesquisa que contribua diretamente com o desenvolvimento de tecnologia, bem como também criar programas que aproximem e incentivem parcerias entre empresas e pesquisadores”, manifesta o cientista.

Autores principais do artigo. A partir da esquerda: Noelio Dantas, Anielle Almeida e Rosinildo do Nascimento.
Autores principais do artigo. A partir da esquerda: Noelio Dantas, Anielle Almeida e Rosinildo do Nascimento.

Referência do artigo científico: Tuning the Optical and Electrical Properties of rGO-CdSe/CdS Ultrasmall Quantum Dot Nanocomposites. Rosinildo Fideles do Nascimento, Anielle Christine Almeida Silva, Tasso O. Sales, Artur F. Sonsin, Eduardo Jorge da Silva Fonseca, Samuel T. Souza, Ygor M. de Oliveira, Fabiane C. de Abreu, and Noelio Oliveira Dantas. The Journal of Physical Chemistry C 2021 125 (12), 6805-6811. https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.0c09813

Contato dos autores correspondentes: Profa Anielle Christine Almeida Silva – acalmeida@fis.ufal.br. Prof. Noelio Oliveira Dantas – noelio@fis.ufal.br.



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