Breves entrevistas com cientistas: Junbai Li (Academia Chinesa de Ciências).


Prof. Junbai Li
Prof. Junbai Li

Com moléculas semelhantes àquelas que a natureza usa para formar proteínas, o professor Junbai Li produz nanomateriais para aplicações biomédicas. Mais precisamente, o cientista chinês usa um aminoácido conhecido como difenilalanina como unidade básica para formar estruturas baseadas em peptídeos (cadeias de aminoácidos) por meio de processos de automontagem. Embora esses processos ocorram espontaneamente, o Prof. Li tem suas próprias receitas para controlar o formato das estruturas resultantes.

A fabricação e aplicações desses nanomateriais automontados serão objeto da palestra plenária do Professor Li no XVII Encontro da SBPMat/ B-MRS Meeting, intitulada “Molecular Assembly of Peptide Based Materials towards Biomedical Application“.

Junbai Li é professor do Instituto de Química da Academia Chinesa de Ciências. Ele é autor de mais de 280 artigos publicados em revistas internacionais, proprietário de 20 patentes concedidas e 8 capítulos de livros. Ele também é o organizador de 5 livros. Sua produção científica tem 10.100 citações e seu índice h é 55. Li atua como editor-chefe da revista Colloids & Surfaces A (Elsevier) e editor da seção de auto-montagem na Current Opinion em Colloid & Interface Science (Elsevier). Junbai Li recebeu seu Ph.D. em Química pela Universidade de Jilin (China) em 1992 e realizou pós-doutorado no Instituto Max Planck de Colóides e Interfaces (Alemanha) de 1994 a 1996.

Veja nossa mini entrevista com o professor Li.

Boletim da SBPMat: – Na sua opinião, quais são as aplicações mais promissoras de materiais auto-organizados baseados em peptídeos e por quê?

Junbai Li: – Nanoestruturas baseadas em peptídeos têm atraído atenção considerável devido à sua biocompatibilidade, capacidade de reconhecimento molecular e estruturas bem definidas. Em primeiro lugar, os dipéptidos catiônicos auto-agrupam-se em nanotubos a valores fisiológicos de pH, e estes nanotubos dipeptídicos catiônicos podem também rearranjar-se para formar vesículas após a diluição. Além disso, eles podem atravessar as membranas celulares e ser absorvidos pelas células após a conversão espontânea em vesículas. Com essa propriedade de superfície com alta carga positiva, materiais auto-montados baseados em peptídeos podem ser efetivamente usados para a transferência e entrega gênica. Em segundo lugar, os pontos quânticos traçados (QDs) podem ser bem distribuídos em um gel à base de peptídeos contra a agregação e oxidação de QDs para melhorar a estabilidade para bioimagem e biossensores.

Boletim da SBPMat – Queremos saber mais sobre o seu trabalho. Por favor, escolha dois artigos / patentes de sua autoria (seus favoritos) e descreva-os brevemente. Também compartilhe as referências.

Junbai Li: – Nosso grupo trabalhou na automontagem de dipeptídeos aromáticos por um longo tempo. Descobrimos que o tratamento criogênico em 77 K permitiu a transição sintonizável de um organogel de difenilalanina auto-agregado em um cristal hexagonal e formar uma estrutura cristalina quiral bem definida. Esses conjuntos exibem emissão aprimorada. (X.C. Liu, et ai. Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56, 2660-2663). https://onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1002/anie.201612024

Outro trabalho: sob iluminação, um gerador fotoácido de vida longa libera um próton e medeia a dissociação do organogel baseado em dipeptídeos, resultando na formação de sol. Na escuridão, a porção fotossensível aprisiona um próton para levar à regeneração do gel. Ele abre uma nova possibilidade para a transição de fase controlada por luz de biomateriais baseados em peptídeos. (X. B. Li, et al. Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 57, 1903-1907). https://onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1002/anie.201711547

a) Encapsulamento dos nanocristais de CdSeS em gel dipeptídico. Fotografia PL de quatro diferentes géis QDs encapsulados, imagem TEM dos nanocristais QD523 encapsulados na rede de fibrilas e imagem ampliada do TEM dos nanocristais QD523 imobilizados na fibrila. (X. H. Yan, et al., Chem. Mater. 2008, 20, 1522-1526). b) Imagens TEM de nanocontêineres à base de FF após incubação a pH 5,0, 7,2 e imagem óptica da medição de coagulação in vivo. (J. B. Fei, et al., Adv. Healthcare Mater. 2017, 6, 1601198). c) Guia de ondas ópticas de cristais simples dipeptídicos. Imagem de fotoluminescência de plaquetas excitadas a 330-380 nm. O círculo vermelho marca a área de excitação e a seta verde indica o acoplamento externo da emissão de PL na outra extremidade. (X. H. Yan, et al., Angew. Chem. Int. Ed. 2011, 50, 11186-11191). d) Caracterização de cristais simples ultralongos FF. Imagem, imagem 3D-AFM e padrão SAED de cristais simples FF depositados em uma superfície de sílica. (B. B. Sun, et al., ACS Nano 2017, 11, 10489-10494)
a) Encapsulamento dos nanocristais de CdSeS em gel dipeptídico. Fotografia PL de quatro diferentes géis QDs encapsulados, imagem TEM dos nanocristais QD523 encapsulados na rede de fibrilas e imagem ampliada do TEM dos nanocristais QD523 imobilizados na fibrila. (X. H. Yan, et al., Chem. Mater. 2008, 20, 1522-1526). b) Imagens TEM de nanocontêineres à base de FF após incubação a pH 5,0, 7,2 e imagem óptica da medição de coagulação in vivo. (J. B. Fei, et al., Adv. Healthcare Mater. 2017, 6, 1601198). c) Guia de ondas ópticas de cristais simples dipeptídicos. Imagem de fotoluminescência de plaquetas excitadas a 330-380 nm. O círculo vermelho marca a área de excitação e a seta verde indica o acoplamento externo da emissão de PL na outra extremidade. (X. H. Yan, et al., Angew. Chem. Int. Ed. 2011, 50, 11186-11191). d) Caracterização de cristais simples ultralongos FF. Imagem, imagem 3D-AFM e padrão SAED de cristais simples FF depositados em uma superfície de sílica. (B. B. Sun, et al., ACS Nano 2017, 11, 10489-10494)

Para mais informações sobre este palestrante e a palestra plenária que ele proferirá no XVII Encontro da SBPMat/B-MRS Meeting, clique na foto do palestrante e no título da palestra: https://www.sbpmat.org.br/17encontro/home/

Entrevistas com plenaristas do XIII Encontro da SBPMat: Jean-Marie Dubois (Institut Jean-Lamour, França).


Jean-Marei Dubois (esquerda)e o Prêmio Nobel Dan Shechtman (direita) celebrando o 70º aniversário de Shechtman dois anos antes de ele ter recebido o Nobel. Ambos usam a mesma gravata, decorada com um mosaico de Penrose, um exemplo típico de aperiodicidade no desenho e na pintura.

O cientista francês Jean-Marie Dubois, doutor em Física pelo Instituto Nacional Politécnico de Lorraine (França), é diretor distinto de pesquisa do Centro Nacional de Pesquisa Científica, CNRS (França), onde preside um comitê dedicado à química dos materiais, nanomateriais e processamento.  Ele é ex-diretor do Instituto Jean Lamour em Nancy (França), um importante instituto de pesquisa na área de Materiais.

Seu currículo demonstra uma trajetória científica internacional. Dubois possui doutorados honorários (Doutor Honoris Causa) da Universidade do Estado de Iowa (EUA) e da Universidade Federal da Paraíba (Brasil), já foi agraciado como membro internacional do Churchill College, pela Universidade de Cambridge (Reino Unido), e é um professor convidado permanente da Universidade Tecnológica de Dalian (China). Recentemente, foi eleito como membro honorário do Instituto Jožef Stefan, em Ljubljana (Eslovênia). Também é membro da Academia de Ciências de Lorraine (França).

Além disso, Dubois é o autor de mais de 250 artigos científicos, publicados em revistas arbitradas, 14 patentes internacionais e 7 livros. Seus trabalhos foram citados mais de 5400 vezes (índice H = 39).

Confira nossa entrevista com o palestrante.

Boletim da SBPMat: – Em sua opinião, quais são as suas principais contribuições para a área de Ciência e Engenharia de Materiais? E quais seriam as suas contribuições científico-tecnológicas com mais impacto social?

Peça de 20 x 20 x 30 cm, usada por um fabricante de carros francês, produzida com um material feito com um polímero reforçado com pó quasicristalino. A peça pode ser fabricada por manufatura aditiva sem restrições quanto à complexidade do formato.

Jean-Marie Dubois: Minha primeira contribuição visando um impacto social foi a descoberta dos vidros metálicos baseados em alumínio, os quais seriam bons candidatos ao papel de ligas leves úteis para a indústria aeronáutica. Eu os patenteei em 1982, listando um número de exemplos favoráveis e, como é a regra para uma patente, também contraexemplos.  Um desses compostos foi, na verdade, um quasicristal estável, desenvolvido no Japão alguns anos depois. Baseado nessa descoberta, eu fui o primeiro a patentear alguns nichos para a aplicação dos quasicristais, compostos intermetálicos baseados em alumínio que não apresentam uma ordem periódica como os cristais convencionais. A descoberta dos quasicristais ocorreu já em 1982, mas só foi divulgada na literatura especializada em 1984, enquanto a minha primeira patente ligada a esses materiais foi registrada em 1988. A partir daí, eu me esforcei em descobrir, patentear e produzir novas pesquisas, em diferentes campos da física dos quasicristais, incluindo condutividade térmica, adesão e atrito, resistência à corrosão, etc.

Minha liderança nesse segmento da Ciência de Materiais foi reconhecida pela comunidade internacional através da criação do “Prêmio Internacional Jean-Marie Dubois”, dado a cada três anos como reconhecimento por pesquisas importantes e sustentáveis, focadas em qualquer aspecto dos quasicristais, que tenham sido realizadas nos últimos 10 anos antes da premiação. No total, eu detenho 14 patentes internacionais, com mais de 25 extensões. Fui responsável por algumas dezenas de contratos de colaboração com a indústria, incluindo diversos contratos financiados pelas Comissões Europeias com, em média, meia dúzia de parceiros industriais, e a mesma quantidade de parceiros acadêmicos. O último exemplo foi a chamada Network of Excellence (Rede de Excelência), que estabeleceu a área de Ligas Metálicas Complexas na Europa com 20 instituições associadas, de 12 países europeus, e aproximadamente 400 cientistas envolvidos.

Boletim da SBPMat: – Escolha algumas das suas principais publicações (por volta de 3 ou 4) para compartilhá-las com o nosso público.

1) Useful Quasicrystals; J.M. DUBOIS, World Scientific, Singapour (2005), 470 pages.

2) Complex Metallic Alloys, Fundamentals and Applications; Eds. J.M. DUBOIS and E. BELIN-FERRÉ, Wiley (Weinheim, 2010), 409 p.

3) Topological instabilities in metallic lattices and glass formation; J.M. DUBOIS, J. Less Common Metals 145 (1988), 309-326.

4) The applied physics of quasicrystals; J.M. DUBOIS, Scripta Physica, T49 (1993) 17-23.

5) Properties and applications of complex metallic alloys, J.M. DUBOIS, Chem. Soc. Rev., 41 (2012) 6760-6777.

Boletim da SBPMat: – Por favor, nos dê uma prévia da sua palestra plenária no Encontro da SBPMat. O que o senhor pretende abordar?

Jean-Marie Dubois: – Minha palestra será uma homenagem ao descobridor dos quasicristais, que recebeu o Prêmio Nobel de Química em 2011 por essa descoberta que levou a comunidade científica a rever todo o seu conhecimento sobre a matéria condensada ordenada. Membros da SBPMat já estão familiarizados com um cristal, um sólido periodicamente ordenado. O que eu quero é apresentá-los a outro tipo de ordem para os sólidos, não periódica, que leva a propriedades sem precedentes. Ligas com esse tipo de ordem são muito particulares, e eu as chamo de ligas push-pull  (empurra- puxa).  Então, eu pretendo demonstrar que esse tipo de ordem não se restringe a ligas metálicas, mas também pode ser encontrado na matéria mole, como polímeros, óxidos, nanoestruturas artificiais e mesmo em desenhos artísticos em antigos mosaicos islâmicos. A palestra, então, será uma visão geral para não especialistas sobre quasicristais e compostos intermetálicos complexos.

Interviews with plenary lecturers of the XII SBPMat Meeting: Mercouri G. Kanatzidis (Northwestern University – USA).


About two-thirds of all used energy is lost as waste heat. Bulk thermoelectrics (materials that can directly convert temperature differences to electric voltage and vice-versa) can improve this current situation by transforming some of the waste heat into useful electricity, but, in most cases their conversion efficiency is not sufficient to allow for commercial use. This efficiency is related to the ability of electrons to traverse the materials as they are excited by heat and to phonon scattering, and it is measured by the so-called ZT values (the higher a material’s ZT, the higher its conversion efficiency).

Efforts have been made to enhance the efficiency of thermoelectric materials, mainly by nanostructuring them. In his plenary talk at the XII SBPMat Meeting, professor Mercouri Kanatzidis (Northwestern University, USA) will present his panoscopic approach to highly efficient thermoelectrics. This approach considers not only the nanostructure of the material but also its mesoscale architecture. Using this strategy, professor Kanatzidis and his collaborators developed the top-performing thermoelectric system at any temperature, a lead telluride (PbTe) – based material. The achievement was published in the journal Nature in September 2012 (doi:10.1038/nature11439). The speaker will also address in his talk the substitution of tellurium by sulfur or selenium in thermoelectric materials for cost reduction.

Professor Kanatzidis obtained his BSc from Aristotle University (Greece) and his PhD in chemistry from the University of Iowa. He was a University Distinguished Professor of Chemistry at the Michigan State University before moving to the Northwestern University, where he heads a research group focused in solid-state inorganic chemistry. Mercouri is also the editor-in-chief of the Journal of Solid State Chemistry and Senior Scientist at the Materials Science Division of the Argonne National Laboratory.

See below our interview with the lecturer.

SBPMat: – Could you exemplify some possible concrete applications of high-performance thermoelectric materials in daily life? In your opinion, how far is the real use of thermoelectric materials from the state-of-the-art?

Mercouri Kanatzidis (M.K.):  – Thermoelectric materials can be applied to internal combustion engines to help harvest exhaust heat and generate electricity that can be applied to the vehicle’s electrically driven devices. This will raise the overall efficiency of the vehicle. There is a staggering amount of energy in exhaust heat of a fossil fuel powered engine. Major auto companies in the US, Germany and Japan are actively developing this technology. Depending on the price of oil, government regulations and cost of the technology the implementation of thermoelectric materials in autos, trucks, etc may take anywhere from a couple of years to decades.

SBPMat: – Which are the thermoelectrics´ next challenges for materials science and engineering?

M.K.: – The current state of performance of thermoelectric materials is adequate for commercial applications. The next challenges lie in the fabrication of actually thermoelectric modules and devices that will pass the necessary testing before final application. Challenges such as long term stability, low cost assembly and fatigue testing need to be addressed.

SBPMat: – Can you share with us, very briefly, the story of the genesis of your panoscopic approach to highly efficient thermoelectric materials?

M.K.:  – About ten years ago we had a novel material composition which had two unlikely characteristics. It had a very high electrical conductivity and thermoelectric power combined with surprisingly low thermal conductivity. The thermal conductivity was lower than theory could explain. This material was first of its kind (referred to as LAST for lead, antimony, silver, tellurium) at that time to display a breakthrough ZT of 1.6, nearly double of the then state of the art. Because of this we delved deeply onto its “guts” using transmission electron microscopy in collaboration with Professors Polychroniadis and Frangis of the University of Thessaloniki in Greece. A few months after they received the samples they reported to us on their findings with a somewhat disappointing note saying that the materials were very complex and inhomogeneous on the nanoscale, therefore impure. In discussions I detected reluctance to deal with the material again. They did. In my lab however we immediately recognized that this very inhomogeneity and the nanoscale precipitates it contained was the root cause of the surprisingly very low thermal conductivity and the very high ZT. This was consistent with theoretical predictions emerging at the time that nanoscale precipitation in a matrix can result in great reduction in thermal conductivity. So we got very excited. We had discovered nanostructuring in thermoelectrics. After our paper appeared in Science in 2004, the thinking of the thermoelectrics community quickly shifted from pursuing single phase materials to focusing on more complex two-phase nanostructured materials. Now the great majority of activity in the community is in nanostructured materials.

The new paradigm led to additional breakthroughs such as how to design and synthesize nanostructured materials, and to higher ZT as well. The panoscopic approach was realized when we were challenged to create two-phase materials that did not degrade electronic transport through them. While matrix of a thermoelectric material with a small amount of a second phase in it can achieve unprecedented levels of low thermal conductivity, it nevertheless is an “impure system” and electrons transported through such a medium know this. Thus, in most cases the second phase degrades the electrical properties and higher ZTs are not realized.

State of the art thermoelectric: (a) A mesoscaled granular composite of broad range of grain sizes to scatter long mean free path phonons. (b) Wwithin a single grain a ubiquitous nanostructuring is in place of a second phase that scatters short and intermediate mean free path phonons. The (a)/(b) combination results in a very low levels of thermal conductivity.

My group members Kanishka Biswas and Lidong Zhao and our collaborators Ctirad Uher and Vinayak Dravid noticed that when SrTe was added to p-type PbTe in as much as 2-4% concentration the hole carriers were behaving as if no SrTe was there. The explanation to this puzzle came from the recognition which was backed by theoretical calculations that the conduction bands in PbTe and SrTe were similar in energy and the holes as a result could traverse the SrTe nanoparticles with no scattering. This led to the concept to band alignment between matrix and second phase. The PbTe-SrTe material with its nanostructuring and band alignment was another material with ZT~1.7. As we realized that different ZT improving mechanisms could be integrated in a single system without the effect of one interfering with those of the other, we extended our approach to trying to integrate all possible mechanisms. We managed to properly introduce electronic band engineering for thermoelectric power enhancement and mesoscale engineering for further reduction on the thermal conductivity to reach the point we now are a record breaking ZT of 2.2. This is very exciting and bodes well for further breakthroughs in the near future.

SBPMat: – Feel free to leave any other comments about your plenary lecture for our readers.

M.K.: – My lecture will be aimed at reaching the broad but scientifically informed audience at the meeting to outline the current state and thinking in the field of thermoelectrics.

See the abstract of Mercouri Kanatzidis plenary lecture “Electrical power from heat: All-scale hierarchical thermoelectrics with and without earth-abundant materials”.

See Professor Kanatzidis biographical sketch.