Computação
Construindo Técnicas de Imagem de Próxima Geração com Pontos Quânticos Infravermelhos
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A tecnologia de pontos quânticos (QD) está transformando as indústrias de iluminação e exibição. Um tema popular em nanotecnologia e ciência dos materiais, esses nanocristais semicondutores são partículas semicondutoras muito pequenas, com apenas alguns nanômetros de tamanho.
Suas propriedades eletrônicas e ópticas situam‑se entre átomos discretos em massa e semicondutores. Essas propriedades dependem tanto do tamanho quanto da forma desses QDs. Por exemplo, pontos quânticos maiores, de 5–6 nm, emitem comprimentos de onda mais longos em comparação com os comprimentos de onda mais curtos emitidos por QDs menores, de 2–3 nm. Além disso, os QDs maiores produzem cores laranja ou vermelha, enquanto os menores geram azul e verde. A especificidade dessas cores, porém, depende da composição dos pontos quânticos.
Os QDs são materiais semicondutores em escala nanométrica com elétrons ou lacunas eletrônicas fortemente confinados, muito semelhantes a um modelo de partícula 3D em uma caixa. Ao acoplar dois ou mais desses QDs, uma molécula artificial também pode ser criada. Enquanto isso, a montagem precisa deles pode formar superredes que atuam como materiais sólidos artificiais cujas propriedades ópticas e eletrônicas únicas podem ser controladas.
No ano passado, Moungi G. Bawendi, Alexei I. Ekimov e Louis E. Brus receberam o Prêmio Nobel de Química pela descoberta e desenvolvimento dos pontos quânticos. Contudo, os QDs não são tão jovens quanto a tecnologia. Eles foram descobertos pela primeira vez há muitas décadas, em 1980, e já há anos que os QDs são usados em LCDs como fósforos remotos.
O potencial de aplicação dos pontos quânticos não se limita a displays, também. Eles se estendem a LEDs, lasers, células solares, fontes de fótons únicos, transistores de elétron único, microscopia, bioimagem, pesquisa em biologia celular e catálise de reações químicas.
Impulsionado pela crescente demanda por soluções de iluminação energeticamente eficientes e dispositivos de exibição de alta qualidade em vários setores, mercado de QD está projetado ver um crescimento impressionante com um CAGR de 17,40% nos próximos anos. O tamanho do mercado global de QD está projetado para alcançar US$ 12,34 bilhões antes do final desta década.
Dada sua ampla aplicação e o esperado crescimento do tamanho de mercado, os pontos quânticos têm sido objeto de muita pesquisa e experimentação. No entanto, isso tem sido principalmente no espectro visível. Isso significa que há muito a ser descoberto sobre a tecnologia nas regiões ultravioleta e infravermelha.
A Tecnologia infravermelha tem muitos casos de uso, portanto há uma demanda crescente por materiais optoeletrônicos econômicos, fáceis de desenvolver e de usar, que sejam sintonizáveis e ativos no infravermelho. Isso levou ao desenvolvimento de pontos quânticos infravermelhos. Devido ao efeito de confinamento quântico, as lacunas de energia dos pontos quânticos infravermelhos podem ser sintonizadas sempre que necessário simplesmente por meio de restrições dimensionais.
O progresso no desenvolvimento de pontos quânticos infravermelhos como absorvedores de infravermelho, como em combustíveis solares e fotovoltaicos, e emissores de luz infravermelha, como em imagens biológicas e diodos emissores de luz, está facilitando a implementação dos QDs em aplicações emergentes.
Desenvolvendo Nanocristais de Alta Qualidade
Agora, Andrew Smith, professor de bioengenharia na Universidade de Illinois em Urbana‑Champaign, e o pesquisador de pós‑doutorado Wonseok Lee desenvolveram novos produtos de nanocristais de alta qualidade.
Publicado em Nature Synthesis e financiado pelos Institutos Nacionais de Saúde e pela Fundação Nacional de Ciência, a pesquisa foi a primeira ocorrência de QDs infravermelhos atendendo aos mesmos altos padrões dos do espectro de luz visível.
Mesmo após quase meio século da existência da tecnologia de nanocristais, só vimos avanços em nanocristais que operam na porção visível do espectro. Isso faz sentido, dado que eles são uma “grande parte dos dispositivos de exibição”.
Como Smith compartilhou, a maior parte de qualquer tecnologia é a emissão ou absorção de luz. Portanto, o foco tem sido desenvolver uma tecnologia com o maior mercado atualmente.
Mas isso não é tudo. Além dos nanocristais do espectro visível terem demanda muito maior, a química dos materiais usados no infravermelho também é mais difícil. Isso inclui energia mais baixa e comprimentos de onda mais longos que a luz no espectro visível.
Agora, conseguir emissão e absorção de luz no infravermelho requer elementos mais pesados cuja química é difícil. Isso significa reações menos previsíveis e mais reações colaterais indesejadas.
Isso nem sequer é o fim. Esses elementos mais pesados são ainda mais propensos à degradação. Eles também são suscetíveis a mudanças ambientais, como a água.
Quando se trata de nanocristais de pontos quânticos, eles podem ser feitos a partir de semicondutores elementares, como o silício, ou podem ser feitos de dois elementos (binário) ou três elementos (ternário). Ao misturar dois elementos juntos, várias propriedades diferentes podem ser alcançadas, e ao combinar três, ainda mais propriedades podem ser realizadas.
Na instituição principal do sistema da Universidade de Illinois, os pesquisadores focaram em apenas um tipo de elemento, que acreditam ser o material “perfeito” para produzir. O material aqui é selênio de mercúrio e cádmio. Segundo Smith:
“Você basicamente pode obter qualquer propriedade que desejar alterando a proporção de átomos de cádmio e mercúrio. Ele pode abranger essa enorme faixa do espectro eletromagnético — de todo o infravermelho até todo o espectro visível — e obter tantas propriedades.”
Utilizando o QD Já Desenvolvido
Desenvolver pontos quânticos infravermelhos de alta qualidade tem sido, na verdade, um processo de vários anos. Por muito tempo, a comunidade de pesquisa tem tentado alcançar isso, com o próprio Smith envolvido desde a pós‑graduação. Mas nenhum dos esforços foi bem‑sucedido até agora.
Finalmente, os pesquisadores da Universidade de Illinois conseguiram criar um novo material. Eles alcançaram isso ao pegar algo que já havia sido aperfeiçoado. Assim, eles pegaram o que é considerado o ponto quântico mais desenvolvido e o utilizaram como o que Smith chamou de “molde sacrificial”.
Seleneto de cádmio (CdSe) é um composto inorgânico classificado como um semicondutor II‑VI do tipo n. É transparente à luz infravermelha (IR) e altamente luminiscente, mas tem uso limitado em fotocondutores.
Conforme observado na pesquisa, nanocristais coloidais semicondutores baseados em CdSe foram precisamente otimizados para aplicações fotônicas no espectro visível. Produtos modernos realmente apresentam uniformidade estrutural com quase cem por cento de rendimento quântico.
Agora, a equipe pegou o seleneto de cádmio e substituiu os átomos de cádmio (Cd) pelos de mercúrio (Hg). Imediatamente, isso mudou tudo para o espectro infravermelho, mantendo todas as qualidades desejadas, incluindo forte emissão de luz e forte absorção de luz.
Para alcançar isso, os pesquisadores tiveram que descartar o método convencional de síntese de nanocristais. O método tradicional envolve primeiro misturar os elementos precursores e, então, sob as condições corretas, eles se decompõem na estrutura de nanocristal desejada.
No entanto, nenhuma condição foi encontrada que funcionasse para seleneto, mercúrio e cádmio. Assim, o pesquisador de pós‑doutorado Lee desenvolveu um novo método chamado troca catiónica aprimorada por interdifusão.
Nesse processo, a equipe adicionou prata como quarto elemento, o que introduz imperfeições no material. Isso, disse Smith, fez com que “tudo se misturasse homogêneamente. E isso resolveu todo o problema.”
(COHR )No final, a equipe desenvolveu nanocristais de seleneto de mercúrio (HgSe) e seleneto de mercúrio e cádmio (HgCdSe) que emitem e absorvem no espectro infravermelho. Desenvolvidos a partir de precursores de CdSe do espectro visível, que já são bem desenvolvidos, os novos materiais mantiveram os atributos desejados, incluindo forma, tamanho e uniformidade dos nanocristais de seleneto de cádmio, ao mesmo tempo que apresentaram absorção aprimorada.
Esses nanocristais homogêneos, HgSe e ligas HgxCd1−xSe, também possuem lacunas de energia sintonizáveis no espectro infravermelho. Conforme a pesquisa, “após a passivação com camadas heteroepitaxiais de CdZnS, os comprimentos de onda da fotoluminescência são sintonizáveis no infravermelho de onda curta por composição sem mudar o tamanho, com rendimento quântico de 80–91% e larguras de linha próximas a 100 meV.”
Aplicações Potenciais de Pontos Quânticos Infravermelhos
O tamanho único dos pequenos pontos quânticos, combinado com suas propriedades eletrônicas sintonizáveis, torna os QDs muito atraentes para novas tecnologias e uma variedade de aplicações.
Devido à sua capacidade de emitir um arco‑íris de cores brilhantes e puras, seu alto coeficiente de extinção e altas eficiências tornam os pontos quânticos particularmente importantes para aplicações ópticas, como lâmpadas LED, displays e fotovoltaicos. Quando usados no desenvolvimento de telas de exibição avançadas, a tecnologia melhora a precisão de cores e o brilho.
Segurança e vigilância é outro setor onde eles podem melhorar as capacidades de visão noturna e ajudar a identificar indivíduos ou objetos em ambientes escuros ou obscurecidos. Na indústria automotiva, isso pode ajudar a aprimorar os sistemas de assistência ao motorista e melhorar a segurança ao dirigir à noite. Eles também podem detectar poluentes no ambiente e contaminantes em fontes de água.
Devido ao pequeno tamanho dos pontos quânticos, que também significa que eles têm uma densidade de estados mais acentuada que estruturas de dimensões superiores, os elétrons não precisam percorrer longas distâncias, o que se traduz em dispositivos eletrônicos que podem operar mais rapidamente. Essas propriedades eletrônicas únicas são particularmente úteis para células solares, transistores, computação quântica e comutadores e portas lógicas totalmente ópticos ultrarrápidos.
O pequeno tamanho dos QDs também os torna adequados para diferentes aplicações biomédicas, como biossensores e imagens médicas. Ao contrário dos biossensores baseados em fluorescência, aqueles baseados em pontos quânticos podem emitir um espectro completo de luzes mais brilhantes, apresentando pouca degradação ao longo do tempo. Isso os torna realmente benéficos em aplicações biomédicas.
De acordo com a pesquisa, os novos materiais, nanocristais de seleneto de mercúrio (HgSe) e seleneto de mercúrio e cádmio (HgCdSe), podem levar a técnicas de imagem de próxima geração.
Os pontos quânticos infravermelhos podem revolucionar várias indústrias ao permitir o desenvolvimento de técnicas de imagem de próxima geração. Por exemplo, em imagens médicas, os pontos quânticos infravermelhos podem ser usados para detectar tumores e células cancerígenas precocemente, auxiliar na imagem não invasiva de tecidos e órgãos com imagens mais claras e detalhadas, e ser usados durante cirurgias para melhorar a precisão e os resultados.
No setor de saúde, os pontos quânticos infravermelhos podem ainda ser usados para rastreamento de células, visualização e estudo do comportamento de moléculas dentro das células. Conforme apontado na pesquisa, o uso mais significativo dos pontos quânticos infravermelhos pode ser para sondas moleculares.
A maioria dos pontos quânticos emite no espectro visível, permitindo apenas a detecção de superfície. No entanto, a luz infravermelha permitirá a sondagem de tecidos mais profundos. Dessa forma, pontos quânticos que emitem no infravermelho permitem que os pesquisadores vejam quase totalmente através, por exemplo, de um roedor vivo, que é usado como modelo padrão para a maioria das doenças, e identifiquem as localizações de moléculas específicas em todo o corpo sem sacrificar os ratos.
Todos esses usos significam uma melhor compreensão dos processos biológicos, do corpo humano e dos mecanismos de doenças e, por sua vez, soluções e cuidados mais personalizados e eficazes.
Além de tudo isso, a imagem infravermelha com pontos quânticos também pode ser usada para analisar materiais e componentes, garantir a qualidade do produto na fabricação, melhorar a resolução de telescópios e auxiliar na navegação e operação de espaçonaves.
Empresas Proeminentes que Trabalham com Técnicas de Imagem e Pontos Quânticos Infravermelhos
Agora, vamos dar uma olhada nas empresas que estão na vanguarda do avanço das técnicas de imagem e do trabalho com pontos quânticos:
#1. QD Vision
Esta empresa é conhecida por sua tecnologia de pontos quânticos, particularmente em aplicações de exibição e imagem. Co‑fundada por Moungi Bawendi há uma década, a empresa tem trabalhado na comercialização de QDs através do Color IQ.
Em 2016, a Samsung Electronics adquiriu a propriedade intelectual da QD Vision por US$ 70 milhões, o que incluiu centenas de patentes. Com essa movimentação estratégica, o objetivo foi apoiar a visão de longo prazo da empresa em seus displays, TVs e possivelmente outros negócios. Na época, a Samsung afirmou que a propriedade intelectual da QD Vision se tornaria parte dos esforços de P&D da empresa coreana para desenvolver implementações avançadas de TVs QD. Os displays QLED da Samsung prometem desempenho de cor incomparável e qualidade de imagem excepcional, “abrindo um novo fluxo de possibilidades para o futuro”.
No primeiro trimestre de 2024, a Samsung reportou um aumento de 933 % em seu lucro operacional em comparação com o 1T23. O gigante tecnológico espera um aumento de 15 vezes no lucro operacional no 2T24, impulsionado pelos preços dos semicondutores graças ao boom da IA. Apesar disso, as ações da Samsung (SMSN) estão sendo negociadas a US$ 1.581, com alta de apenas 5,54 % no ano. A empresa paga um rendimento de dividendos de 1,69 %.
#2. Nanoco Group
Listada na Bolsa de Valores de Londres sob o ticker NANO, a Nanoco se especializa no desenvolvimento e fabricação de pontos quânticos e outros nanomateriais. Cotada a US$ 0,1949, as ações caíram 12,38 % no ano, com um EPS (TTM) de 0,06 e um P/E (TTM) de 3,32.
A empresa recentemente recomprou 330.133 de suas ações ordinárias, que serão canceladas, deixando 205.038.038 ações ordinárias em circulação, medida tomada para aumentar o valor para os acionistas. Durante a teleconferência de resultados do 2T24, seu CEO Brian Tenner falou sobre a Nanoco receber e atender duas ordens de produção comercial. Embora sejam ordens de baixo volume, isso significa que a Nanoco está realmente transicionando para uma empresa de produção efetiva e “espera que a demanda e o volume… aumentem ao longo do tempo”. A empresa também assinou dois acordos de desenvolvimento conjunto com clientes globais envolvendo dois diferentes nanomateriais de segunda geração para uso em detecção infravermelha.
A tecnologia central da Nanoco envolve pontos quânticos CFQD®, que consistem em nanopartículas semicondutoras fluorescentes, e pontos quânticos HEATWAVETM que são especialmente projetados para uso na indústria de sensores. Enquanto os primeiros têm aplicações em conversão de cor OLED, conversão de cor μLEDs e marcação de segurança óptica, a tecnologia HEATWAVETM é destinada ao reconhecimento facial biométrico, diagnósticos ópticos, visão noturna, medição de distância e aplicações LiDAR.
Considerações Finais
Como vimos, a tecnologia de pontos quânticos promete avanços significativos em diversos setores. Os pesquisadores estão atualmente aprofundando a exploração dos QDs, como os pontos quânticos infravermelhos, que têm aplicações únicas, especialmente em imagens biológicas. À medida que a demanda por QDs continua a crescer e seu tamanho de mercado aumenta, veremos ainda mais avanços no campo dos pontos quânticos, que têm a capacidade de revolucionar a medicina, a energia, os sensores e a eletrônica de consumo.
