Prêmios Nobel
Investindo em Conquistas do Prêmio Nobel – Pontos Quânticos e Nanocores
História do Prêmio Nobel
O Prêmio Nobel é o mais prestigiado prêmio no mundo científico. Foi criado de acordo com a vontade do Sr. Alfred Nobel para dar um prêmio “àqueles que, durante o ano anterior, conferiram o maior benefício à humanidade” em física, química, fisiologia ou medicina, literatura e paz.
Um sexto prêmio seria criado posteriormente para ciências econômicas pelo banco central sueco, oficialmente chamado de Prêmio em Ciências Econômicas, mais conhecido como Prêmio Nobel em Economia.
A decisão de a quem atribuir o prêmio pertence a várias instituições acadêmicas suecas.
Preocupações com Legado
A decisão de criar o Prêmio Nobel veio a Alfred Nobel após ele ler seu próprio obituário, após um erro de um jornal francês que mal-entendeu a notícia da morte de seu irmão. Intitulado “O Mercador da Morte Está Morto”, o artigo francês criticou Nobel por sua invenção de explosivos sem fumaça, dos quais a dinamite era a mais famosa.
Suas invenções foram muito influentes em moldar a guerra moderna, e Nobel comprou um grande moinho de ferro e aço para transformá-lo em um grande fabricante de armamentos. Como ele era primeiro um químico, engenheiro e inventor, Nobel percebeu que não queria que seu legado fosse o de um homem lembrado por ter feito uma fortuna sobre a guerra e a morte de outros.
Prêmio Nobel
Nos dias de hoje, a fortuna de Nobel está armazenada em um fundo investido para gerar renda para financiar a Fundação Nobel e a medalha de ouro dourada, diploma e prêmio monetário de 11 milhões de SEK (cerca de $1M) atribuído aos vencedores.
Fonte: Britannica
Muitas vezes, o dinheiro do Prêmio Nobel é dividido entre vários vencedores, especialmente em campos científicos onde é comum que 2 ou 3 figuras líderes contribuam juntas ou em paralelo para uma descoberta revolucionária.
Ao longo dos anos, o Prêmio Nobel se tornou O prêmio científico, tentando equilibrar descobertas teóricas e muito práticas. Ele recompensou conquistas que construíram as fundações do mundo moderno, como radioatividade, antibióticos, raios-X, ou PCR, bem como ciência fundamental, como a fonte de energia do sol, a carga do elétron, estrutura atômica, ou superfluididade.
Cores Microscópicas
Na vida cotidiana, os itens têm cores específicas devido às suas propriedades intrínsecas em como elas interagem com a luz. A luz solar contém um espectro de cores, e quando algumas cores são absorvidas, isso nos dá cores refletidas diferentes.
Fonte: DataColors
Esses mecanismos não funcionam da mesma forma na escala nanométrica. Aqui, os efeitos quânticos que mudam a forma como os elétrons são dispostos em torno do núcleo de um átomo mudarão como um material absorve a luz. Em seguida, isso modifica sua cor.
Mais precisamente, deriva da aplicação da equação de Schrödinger, que prevê como as partículas se comportam na escala quântica, onde elas são tanto uma onda quanto uma partícula.
Em 1937, o físico Herbert Fröhlich previu que, devido à equação de Schrödinger, as nanopartículas se comportariam de forma diferente das maiores. O mais importante é que, quando as partículas se tornam extremamente pequenas, há menos espaço para os elétrons do material, então eles são espremidos juntos.
Como a interação da luz com os elétrons de um material determina sua cor, isso previu que os efeitos quânticos poderiam mudar a cor das nanopartículas dependendo de seu tamanho (e, portanto, de como seus elétrons estão “espremidos”).
Mover-se das teorias da década de 1930 para a prática levaria tempo e seria realmente alcançado apenas nos anos 80 e 90, com três cientistas diferentes progredindo gradualmente para torná-lo possível.
Fonte: Prêmio Nobel
Hoje, os pontos quânticos são usados na medicina, na fabricação de telas e QLED, representando um mercado de $4 bilhões em 2021.
Eles podem se tornar cruciais em muitas outras aplicações, desde a detecção de câncer com pontos quânticos infravermelhos, para criar sistemas solares panchromáticos ou abrir novas opções na fabricação eletrônica com nanofotônica.
De Vidro Antigo a Física Quântica
Na era moderna, os cientistas redescobriram algo que os fabricantes de vidro sabiam desde a Antiguidade: é possível criar um vidro colorido de cores variadas adicionando impurezas no vidro, como prata, ouro e cadmio.
Mais intrigantemente, o mesmo elemento adicionado poderia gerar cores diferentes dependendo de como o vidro foi aquecido e resfriado.
Aleksey Yekimov, o primeiro vencedor deste Prêmio Nobel, começou a analisar o vidro colorido com uma ferramenta de análise de luz usada pela indústria de semicondutores. Usando raios-X, ele descobriu que o vidro tingido com cloreto de cobre produzido com diferentes tempos de aquecimento teria tamanhos de partículas de cobre variados, de 2nm a 30nm.
Um fenômeno fascinante foi que, enquanto as partículas grandes de cobre agiam “normalmente”, quanto menores as partículas, mais azul a luz que elas absorviam.
Fonte: Prêmio Nobel
Isso não foi a primeira vez que um efeito de tamanho dependente quântico foi observado, mas essa foi a primeira vez que foi produzido com um processo de fabricação relativamente simples, em vez de condições extremas, como vácuo ultra-alto e temperaturas próximas ao zero absoluto.
Yekimov publicaria seus resultados em um jornal científico soviético, e sua descoberta não alcançaria os cientistas do bloco ocidental até a queda da União Soviética. Então, em paralelo, os cientistas ocidentais também estavam fazendo descobertas que levariam à invenção de pontos quânticos.
Partículas de Pontos Quânticos Suspensas
Na Bell Labs nos EUA, um incubador para pelo menos 10 Prêmios Nobel, Louis Brus estudou como usar a energia solar para produzir reações químicas. Ele usou partículas de sulfeto de cádmio em uma solução e produziu partículas tão pequenas quanto possível para maximizar a superfície de reação.
O que ele notou foi que a absorção de luz dessas partículas mudaria ao longo do tempo. Após investigação, ele descobriu que elas estavam crescendo ao longo do tempo, aglomerando-se em partículas menores, movendo-se de 4,5 nm para 12,5 nm.
A partícula maior absorvia a luz da maneira como você esperaria que o sulfeto de cádmio fizesse. Mas as partículas menores tinham uma absorção que se deslocava para o azul.
Fonte: Prêmio Nobel
As partículas em uma suspensão coloidal em um líquido usadas por Louis Brus eram potencialmente muito mais úteis do que as partículas presas no vidro de Yekimov, pois elas poderiam ser mais fáceis de produzir em massa e refinar.
No entanto, o método de produção provou ser muito inconsistente. Não apenas os tamanhos finais das partículas eram quase imprevisíveis, mas as soluções continham uma mistura de vários tamanhos.
Longe de ser um produto puro que pudesse ser usado em outras tecnologias e em escala industrial, ainda era principalmente uma curiosidade científica.
Produzindo Pontos Quânticos em Massa
Moungi Bawendi foi um estudante de pós-doutorado no laboratório de Louis Brus em 1988. Lá, ele experimentou com todas as variáveis possíveis para criar pontos quânticos consistentes, testando os efeitos de diferentes solventes, temperaturas e técnicas. Isso fez algum progresso, mas ainda não era o suficiente para um resultado consistente e replicável.
Mais tarde, enquanto trabalhava no MIT, ele finalmente encontrou uma receita que funcionou:
- Eles injetaram o solvente com exatamente tanto das substâncias quanto era necessário para saturar precisamente a solução.
- Isso levou à formação de “embriões” de cristal minúsculos ao mesmo tempo.
- A injeção mais fria permitiu que a formação de cristal fosse interrompida imediatamente.
- Eles então aumentaram gradualmente a temperatura, permitindo que cristais maiores se formassem.
- Esta etapa permitiu que o solvente desse aos cristais uma superfície lisa e uniforme, melhorando as propriedades ópticas resultantes.
Fonte: Prêmio Nobel
Este método resultou em um cristal de ponto quântico quase perfeito. Mais importante ainda, era fácil de usar, então mais químicos poderiam começar a produzir pontos quânticos e investigar aplicações potenciais.
Um Novo Estado de Matéria Revolucionário
O que tornou os pontos quânticos tão impressionantes é que eles completamente mudaram a forma como podemos usar a tabela periódica dos elementos.
Na tabela periódica de Mendeleev, os elementos são classificados de acordo com sua massa atômica e propriedades químicas. Essas propriedades são impulsionadas principalmente pelo comportamento das nuvens de elétrons em torno do núcleo de cada átomo.
Fonte: Britannica
Ao modificar a forma como os elétrons de um elemento se comportam, os pontos quânticos essencialmente deram uma nova dimensão à tabela periódica dos elementos. Então, a descoberta e a produção em massa de pontos quânticos são semelhantes à descoberta de materiais completamente novos, com novas propriedades elétricas e químicas.
Isso é um pouco semelhante a outros materiais com propriedades únicas, como nanotubos ou a crescente variedade de materiais 2D potencialmente capazes de mudar a civilização, como grafeno, borofeno e ouro.
Fonte: Ossila
Aplicações de Pontos Quânticos
QLED
Uma das principais aplicações atuais de pontos quânticos é a tecnologia QLED (Quantum dot LED).
Nela, os pontos quânticos mudam a luz azul em vermelha ou verde, permitindo a criação de telas com cores vivas usando apenas uma fonte de luz (a luz azul é emitida por LED de luz azul, uma descoberta recompensada com um Prêmio Nobel em 2014, que cobrimos anteriormente).
Os pontos quânticos também são usados para melhorar a luz dos LEDs, tornando a luz mais fria em uma cor mais agradável.
Sinal Óptico
Embora a maioria dos pontos quânticos hoje use a solução baseada em solvente de Brus & Bawendi, os cristais embutidos descobertos por Yekimov ainda são usados, por exemplo, para amplificação de sinal em sistemas de comunicação por fibra óptica.
Pontos quânticos produzidos por outro método foram descobertos mais tarde (método de crescimento Stranski-Krastanov) e são, por exemplo, usados em lasers de pontos quânticos para comunicação óptica.
Bioquímica
Devido às suas cores únicas e distintas, os pontos quânticos podem ser usados como marcadores para rastrear coisas em nível microscópico.
Uma dessas aplicações é para bioquímicos anexarem pontos quânticos a biomoléculas, como vírus, DNA ou proteínas, permitindo que eles rastreiem seu movimento e acúmulo com um simples microscópio de fluorescência.
Fonte: Sigma Aldrich
Medicina
Devido ao seu potencial de imagem, os pontos quânticos podem ser usados para rastrear tecido de tumor no corpo, ligando os pontos quânticos a moléculas que se ligam apenas a células de câncer.
Fonte: Degruyter
Um campo emergente de medicina que usa pontos quânticos e sua capacidade de “detectar” câncer é a fototerapia. Nela, os médicos usam os pontos quânticos para absorver a luz e produzir calor ou substâncias químicas reativas que causam a morte das células do tumor circundante.
No entanto, mais pesquisas são necessárias para usar rotineiramente os pontos quânticos na medicina, pois eles podem causar efeitos colaterais indesejados, como danificar células saudáveis, degradar ou aglomerar no corpo e serem eliminados inadequadamente pelos rins.
Catalisadores de Química
A descoberta de pontos quânticos começou com a busca de Louis Brus por catalisadores melhores, compostos que podem acelerar ou tornar possível reações químicas de outra forma lentas.
E pode ser ainda uma das principais aplicações de pontos quânticos, graças à sua capacidade de absorver a luz para alimentar reações químicas que não ocorreriam de outra forma.
Fonte: ACS
Isso pode ser usado para dividir a água em hidrogênio, reduzir CO2 em compostos de hidrocarboneto e impulsionar outras reações químicas.
Nanotubos de carbono, fulereno e grafeno são pontos quânticos de carbono frequentemente usados como fotocatalisadores devido às suas propriedades avançadas, como solubilidade em água, fotoluminescência ajustável, baixa toxicidade biológica e facilidade de funcionalização de superfície.
Energia
Como os pontos quânticos são essencialmente um material semicondutor, com lacunas de banda variáveis dependendo de seu tamanho, eles têm um forte potencial para aplicação na criação de células solares melhores.
Fonte: Degruyter
A principal vantagem que os pontos quânticos trariam para as células solares é que eles poderiam ampliar o espectro solar que pode ser convertido em energia (as células solares de silício convertem apenas em energia os fótons de energia mais alta, “perdendo” 70-75% da energia do sol).
Então, enquanto as células solares convencionais provavelmente progredirão para um máximo de 30-35% de eficiência de conversão, as células solares de pontos quânticos têm uma eficiência máxima teórica de 66% (veja abaixo sobre QD Solar).
Computadores Quânticos
Na corrida para criar um computador quântico maior e mais amplo (que investigamos em “O Estado Atual da Computação Quântica“), os pontos quânticos podem ser uma ferramenta valiosa.
Eles poderiam ser usados como o componente base do computador, o Qubit. Ou eles poderiam formar partes do sistema usado para localizar e detectar um único spin, bem como ser uma boa fonte de fótons únicos.
Como a produção de pontos quânticos agora é bem compreendida e relativamente barata, os designs que dependem deles poderiam ajudar a trazer os computadores quânticos para uma escala de produção em massa e reduzir seu preço.
Investindo em Pontos Quânticos e Nanotecnologia
QLED é atualmente o maior mercado para pontos quânticos, com o gigante conglomerado coreano Samsung (sua filial Samsung Electronics – SSNLF) o líder do mercado.
No entanto, os pontos quânticos em si são uma parte relativamente pequena do negócio geral, com a empresa também ativa em todos os tipos de semicondutores (memória, chips, sensores, 5G, etc.). Portanto, os pontos quânticos não são realmente o núcleo do negócio.
Você pode investir em empresas de pontos quânticos e nanotecnologia por meio de muitos corretores, e você pode encontrar aqui, no securities.io, nossas recomendações para os melhores corretores nos EU, Canadá, Austrália, Reino Unido, além de muitos outros países.
Se você não estiver interessado em escolher empresas de pontos quânticos e nanotecnologia, você também pode procurar ETFs de nanotecnologia, como o ProShares Nanotechnology ETF (TINY) ou o Direxion Nanotechnology ETF (TYNE), que fornecerão uma exposição mais diversificada para capitalizar em ações de pontos quânticos e nanotecnologia.
Ou você pode olhar nossa lista dos “10 Principais Ações de Nanotecnologia”.
Empresas de Pontos Quânticos e Nanotecnologia
1. Nanoco Group (NANO.l)
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.
A empresa é uma pioneira em pontos quânticos livres de cádmio, com 375 patentes e uma parceria de licença com a Samsung. Isso fechou uma litigância de 2 anos com a Samsung de 2021-2023 sobre direitos de propriedade intelectual, que acabou com a Nanoco recebendo $90M da Samsung.
Então, ela pode fornecer uma maneira de investir em pontos quânticos que é semelhante à da Samsung, mas com um foco mais forte nessa tecnologia em particular.
Embora a empresa esteja principalmente focada em aplicações de LED (OLED, μLEDs, QD-EL), ela também está investigando novos mercados, como, por exemplo, marcação de segurança para cédulas.
Fonte: Nanoco
Outro setor em que a empresa está investindo é o de pontos quânticos infravermelhos, com Heatwave. Isso deve permitir sensores infravermelhos muito precisos. Entre as aplicações possíveis estão:
- Reconhecimento facial biométrico.
- Diagnóstico óptico (medições de O2, bilirrubina e glicose).
- LIDAR
- Visão noturna.
A empresa está apenas começando a comercializar sua tecnologia com dois pedidos de produção comercial em 2024.
A tecnologia de pontos quânticos livres de cádmio da Nanoco pode fazer uma aplicação muito sólida para aplicações médicas e de biotecnologia, que geralmente são menos receptivas a pontos quânticos baseados em metais pesados.
2. QD Solar / SunDensity Canada
QD Solar, um desenvolvedor de painéis solares de pontos quânticos e líder nessa tecnologia, foi recentemente comprado pela SunDensity Canada, uma produtora de painéis solares.
Essa aquisição pode ser um divisor de águas na tecnologia solar.
Por um lado, a tecnologia QD Solar permite uma eficiência mais alta por meio do uso de pontos quânticos. Isso permite que o painel utilize o comprimento de onda infravermelho para produzir eletricidade, com perovskita usada para absorver os fótons de alta energia do espectro visível.
Fonte: QD Solar
Por outro lado, a tecnologia SunDensity usa revestimentos nano para proteger os painéis solares contra a degradação induzida por UV, em vez de converter a luz UV em mais eletricidade.
Abordagem “ativa” da QD Solar é alcançada através da adição de uma camada de perovskita em tandem com uma célula PV de silício. A abordagem “passiva” da SunDensity envolve revestimentos que eficientemente deslocam a energia da luz solar incidente para uma faixa mais utilizável para os painéis solares absorverem.
As tecnologias são complementares, com o potencial de alcançar uma eficiência de módulo de mais de 40% quando combinadas.
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Então, a combinação do uso, no mesmo painel solar, de perovskita (fótons de alta energia do visível), revestimentos nano (luz UV), e pontos quânticos (fótons infravermelhos) pode fazer com que os painéis solares atinjam a eficiência máxima possível.
Fonte: QD Solar
A perspectiva de painéis solares com 40% de eficiência e ainda mais no futuro pode ser um divisor de águas para a indústria.
Painéis solares de alta eficiência e mais duráveis podem ser especialmente valiosos para aplicações exigentes, como energia solar baseada no espaço.
