Investindo nas Conquistas do Prêmio Nobel – Pontos Quânticos e Nanocores

História do Prêmio Nobel

The Nobel Prize is the most prestigious award in the scientific world. It was created according to o testamento do Sr. Alfred Nobel to give a prize “àqueles que, no ano anterior, trouxeram o maior benefício à humanidade” in physics, chemistry, physiology or medicine, literature, and peace.

Um sexto prêmio seria criado posteriormente para as ciências econômicas pelo banco central sueco, oficialmente chamado Prêmio em Ciências Econômicas, frequentemente mais conhecido como Prêmio Nobel de Economia.

A decisão de a quem atribuir o prêmio cabe a várias instituições acadêmicas suecas.

Preocupações com o Legado

A decisão de criar o Prêmio Nobel chegou a Alfred Nobel depois que ele leu seu próprio obituário, após um erro de um jornal francês que interpretou mal 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 na formação da guerra moderna, e Nobel comprou uma enorme siderúrgica para transformá‑la em um grande fabricante de armamentos. Como ele era primeiro químico, engenheiro e inventor, Nobel percebeu que não queria que seu legado fosse o de um homem lembrado por ter lucrado com a guerra e a morte de outros.

Prêmio Nobel

Hoje em dia, a fortuna de Nobel está armazenada em um fundo investido para gerar renda que financia a Fundação Nobel e a medalha verde dourada, o diploma e o prêmio em dinheiro de 11 milhões de SEK (cerca de US$ 1 milhão) concedidos aos vencedores.

Fonte: Britannica

Frequentemente, o dinheiro do Prêmio Nobel é dividido entre vários vencedores, especialmente em áreas científicas onde é comum que 2 ou 3 figuras principais contribuam juntas ou em paralelo para uma descoberta revolucionária.

Over the years, the Nobel Prize has become THE scientific prize, trying to strike a balance between theoretical and very practical discoveries. It has rewarded achievements that built the foundations of the modern world, like radioatividade, antibióticos, raios‑X, or PCR, as well as fundamental science, like the fonte de energia do sol, the carga do elétron, estrutura atômica, or superfluidez.

Cores Microscópicas

No cotidiano, os objetos têm cores específicas devido às suas propriedades intrínsecas de como interagem com a luz. A luz solar contém um espectro de cores e, quando algumas cores são absorvidas, isso nos fornece diferentes cores refletidas.

Fonte: DataColors

Esses mecanismos não funcionam da mesma forma na escala nanométrica. Aqui, efeitos quânticos que alteram a forma como os elétrons se organizam ao redor do núcleo de um átomo mudarão como um material absorve luz. Por sua vez, isso modifica sua cor.

Mais precisamente, isso deriva da aplicação da equação de Schrödinger (SDGR ), que prevê como as partículas se comportam na escala quântica, onde são simultaneamente onda e partícula.

Em 1937, o físico Herbert Fröhlich previu que, devido à equação de Schrödinger, nanopartículas se comportariam de forma diferente das maiores. O mais importante, quando as partículas se tornam extremamente pequenas, há menos espaço para os elétrons do material, de modo que eles ficam comprimidos.

Como a interação da luz com os elétrons de um material determina sua cor, isso previu que efeitos quânticos poderiam mudar a cor das nanopartículas dependendo de seu tamanho (e, portanto, de quão “comprimidos” seus elétrons estão).

Passar das teorias dos anos 1930 para a prática levaria tempo e só foi realmente alcançado nas décadas de 1980 e 1990, com três diferentes cientistas tornando isso progressivamente possível.

Em 2023, eles coletivamente receberam o Prêmio Nobel de Química por seu trabalho que levou à descoberta dos chamados “pontos quânticos”.

Fonte: Nobel Prize

Hoje, os pontos quânticos são usados em medicina, telas e fabricação de QLED, representando um mercado de US$ 4 bilhões em 2021.

Eles podem se tornar cruciais em muitas outras aplicações, da detecção de câncer com pontos quânticos infravermelhos, to da criação de sistemas solares pancromáticos or open de novas opções na fabricação eletrônica com nanofotônica.

Do Vidro Antigo à Física Quântica

Na era moderna, os cientistas redescobriram algo que os fabricantes de vidro conheciam desde a Antiguidade: é possível criar um vidro colorido de diferentes tonalidades ao adicionar impurezas ao vidro, como prata, ouro e cádmio.

Mais intrigante, o mesmo elemento adicionado poderia gerar cores diferentes dependendo de como o vidro fosse aquecido e resfriado.

Aleksey Yekimov, o primeiro vencedor deste Prêmio Nobel, começou a analisar 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 variando de 2 nm a 30 nm.

Um fenômeno fascinante foi que, enquanto partículas de cobre grandes se comportavam “normalmente”, quanto menores as partículas, mais azul era a luz que elas absorviam.

Fonte: Nobel Prize

Esta não foi a primeira vez que tal efeito quântico dependente do tamanho foi observado, mas 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 chegaria aos cientistas do bloco ocidental até a queda da União Soviética. Assim, paralelamente, cientistas ocidentais também faziam descobertas que levariam à invenção dos pontos quânticos.

Partículas de Pontos Quânticos Suspensas

Em Bell Labs nos EUA, um incubador de pelo menos 10 Prêmios Nobel, Louis Brus estudou como usar energia solar para produzir reações químicas. Ele usou partículas de sulfeto de cádmio em solução e produziu partículas o menor possível para maximizar a superfície de reação.

O que ele notou foi que a absorção de luz dessas partículas mudava ao longo do tempo. Após investigação, descobriu que elas estavam crescendo ao se aglomerarem com partículas menores, passando de 4,5 nm para 12,5 nm.

A partícula maior absorvia luz da maneira que se esperaria do sulfeto de cádmio. Mas as partículas menores tinham uma absorção que se deslocava para o azul.

Fonte: Nobel Prize

As partículas em suspensão coloidal em um líquido usado por Louis Brus eram potencialmente muito mais úteis do que as confinadas em vidro por Yekimov, pois poderiam ser mais fáceis de produzir em massa e refinar.

No entanto, o método de produção mostrou-se muito inconsistente. Não apenas os tamanhos finais das partículas eram quase imprevisíveis, mas as soluções continham uma mistura de múltiplos tamanhos.

Longe de ser um produto puro que poderia ser usado em outras tecnologias e em escala industrial, ainda era, em grande parte, uma curiosidade científica.

Produção em Massa de Pontos Quânticos

Moungi Bawendi foi um estudante de pós‑doutorado no laboratório de Louis Brus em 1988. Lá, ele experimentou todas as variáveis possíveis para criar pontos quânticos consistentes, testando os efeitos de diferentes solventes, temperaturas e técnicas. Isso trouxe algum progresso, mas ainda não foi suficiente para um resultado consistente e replicável.

Later, while working at MIT, he finally found a recipe that worked:

• Eles injetaram o solvente com exatamente a quantidade de substâncias necessária para saturar precisamente a solução.
  • Isso levou à formação simultânea de pequenos “embriões” cristalinos.
  • A injeção mais fria permitiu interromper imediatamente a formação do cristal.
• Eles então aumentaram progressivamente a temperatura, permitindo que cristais progressivamente maiores se formassem.
  • Esta etapa permitiu que o solvente conferisse aos cristais uma superfície lisa e uniforme, melhorando as propriedades ópticas resultantes.

Fonte: Nobel Prize

Este método resultou em um cristal de ponto quântico quase perfeito. Mais importante, era fácil de usar, de modo que mais químicos pudessem começar a produzir pontos quânticos e investigar aplicações potenciais.

Um Novo Estado da Matéria Revolucionário

O que torna os pontos quânticos tão impressionantes é que eles mudaram completamente 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 principalmente determinadas pelos comportamentos das nuvens de elétrons ao redor dos núcleos 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. Assim, a descoberta e produção em massa de pontos quânticos assemelha‑se à descoberta de materiais totalmente novos, com novas propriedades elétricas e químicas.

Isso lembra um pouco outros materiais com propriedades únicas, como nanotubos ou as crescentes matrizes de materiais 2D potencialmente transformadores da civilização, como grafeno, boro‑feneno e goldene.

Fonte: Ossila

Aplicações dos Pontos Quânticos

QLED

Uma das maiores aplicações atuais dos pontos quânticos é a tecnologia QLED (Quantum dot LED).

Na QLED, os pontos quânticos mudam a luz azul em vermelho 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 premiada com o Prêmio Nobel em 2014, que cobrimos anteriormente).

Os pontos quânticos também são usados para melhorar a luz dos LEDs, transformando a luz fria em uma cor mais agradável.

Sinal Óptico

Embora a maioria dos pontos quânticos hoje use a solução baseada em solvente de Brus & Bawendi, cristais incorporados 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 posteriormente (método de crescimento Stranski‑Krastanov) e são, por exemplo, usados em lasers de ponto quântico para comunicação óptica.

Bioquímica

Devido às suas cores muito únicas e distintas, os pontos quânticos podem ser usados como marcadores para rastrear objetos em nível microscópico.

Uma dessas aplicações é que bioquímicos anexem pontos quânticos a biomoléculas como vírus, DNA ou proteínas, permitindo rastrear seu movimento e acúmulo com um microscópio de fluorescência simples.

Fonte: Sigma Aldrich

Medicina

Devido ao seu potencial de imagem, os pontos quânticos podem ser usados para rastrear tecido tumoral no corpo ao ligar os pontos quânticos a moléculas que se ligam apenas a células cancerígenas.

Fonte: Degruyter

Um campo emergente da medicina que usa pontos quânticos e sua capacidade de “detectar” câncer é a fototerapia. Nela, médicos utilizam os pontos quânticos para absorver luz e produzir calor ou substâncias químicas reativas que causam a morte das células tumorais circundantes.

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‑se ou aglomerar‑se no corpo, e serem eliminados de forma ineficiente pelos rins.

Catálise Química

A descoberta dos pontos quânticos começou com a busca de Louis Brus por catalisadores melhores, compostos que podem acelerar ou tornar possíveis reações químicas que seriam lentas de outra forma.

E ainda pode ser uma aplicação chave dos pontos quânticos, graças à sua capacidade de absorver luz para alimentar reações químicas que de outra forma não ocorreriam.

Fonte: ACS

Isso poderia ser usado para dividir água em hidrogênio, para reduzir CO2 em compostos hidrocarbonetos, e para impulsionar outras reações químicas.

Nanotubos de carbono, fulerenos 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.

Pontos quânticos: aplicações em catálise

Energia

Como os pontos quânticos são essencialmente um material semicondutor, com lacunas de banda variáveis dependendo do seu tamanho, eles têm grande potencial de aplicação na criação de células solares melhores.

Fonte: Degruyter

A principal vantagem que os pontos quânticos trariam às células solares é que poderiam ampliar o espectro solar que pode ser convertido em energia (células solares de silício convertem em energia apenas os fótons de maior energia, “perdendo” 70‑75 % da energia do Sol).

Portanto, enquanto as células solares convencionais provavelmente progredirão até um máximo de 30‑35 % de eficiência de conversão, as células solares de pontos quânticos têm um limite teórico de 66 % de eficiência (veja abaixo sobre QD Solar).

Computadores Quânticos

Na corrida para criar computadores quânticos maiores e mais poderosos (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. Or they could form parts of the system used para localizar e detectar spin único, além de ser uma boa fonte de fótons únicos.

Como a produção de pontos quânticos agora é bem compreendida e relativamente barata, projetos que dependam deles podem ajudar a levar os computadores quânticos a uma escala de produção em massa e reduzir seu preço.

Investindo em Pontos Quânticos & Nanotecnologia

QLED é atualmente o maior mercado para pontos quânticos, com o gigante conglomerado coreano Samsung (sua divisão Samsung Electronics – SSNLF) liderando o mercado.

No entanto, os próprios pontos quânticos são uma parte relativamente pequena do negócio total, com a empresa também atuando em todo tipo de semicondutores (memória, chips, sensores, 5G, etc.). Portanto, os pontos quânticos não são realmente o núcleo do negócio.

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Se você não tem interesse em selecionar empresas de pontos quânticos e nanotecnologia, também pode considerar ETFs de nanotecnologia, como o ProShares Nanotechnology ETF (TINY) ou o Direxion Nanotechnology ETF (TYNE), que oferecem exposição mais diversificada para aproveitar as oportunidades das ações de pontos quânticos e nanotecnologia.

Or you can look at our list of the “Top 10 Ações de Nanotecnologia”.

Empresas de Pontos Quânticos & Nanotecnologia

1. Nanoco Group (NANO.l)

Listada na Bolsa de Valores de Londres sob o ticker NANO, a Nanoco especializa‑se no desenvolvimento e fabricação de pontos quânticos e outros nanomateriais.

A empresa é pioneira em pontos quânticos livres de cádmio, com 375 patentes e uma parceria de licenciamento com a Samsung. Isso encerrou um litígio de 2 anos com a Samsung de 2021‑2023 sobre direitos de propriedade intelectual, que acabou resultando na Nanoco recebendo US$ 90 milhões da Samsung.

Assim, pode oferecer uma forma de investir em pontos quânticos semelhante à 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), também está investigando novos mercados, como, por exemplo, marcação de segurança para notas.

Fonte: Nanoco

Another sector the company is investing in is infrared quantum dots, with Heatwave. It should allow for very precise Infrared sensors. Among the possible applications are:

• Reconhecimento facial biométrico.
• Diagnóstico óptico (medições de níveis de O2, bilirrubina e glicose).
• LIDAR
• Visão noturna.

The company is only starting to commercialize its technology with two commercial production orders in 2024.

A tecnologia livre de cádmio dos pontos quânticos Nanoco poderia proporcionar uma aplicação muito sólida para áreas médicas e biotecnológicas, que geralmente são menos receptivas a pontos quânticos baseados em metais pesados.

2. QD Solar / SunDensity Canada

QD Solar, desenvolvedora de painéis solares de pontos quânticos e líder nessa tecnologia, foi recentemente adquirida pela SunDensity Canada, produtora de painéis solares.

Essa aquisição pode ser um divisor de águas na tecnologia solar.

Por um lado, a tecnologia solar QD permite maior eficiência através do uso de pontos quânticos. Isso permite que o painel utilize comprimentos de onda infravermelhos para gerar eletricidade, com perovskita usada para absorver os fótons de alta energia do espectro visível.

Fonte: QD Solar

Por outro lado, a tecnologia SunDensity usa nano‑revestimentos especiais para proteger os painéis solares da degradação induzida por UV, em vez de converter luz UV em mais eletricidade.

A “abordagem ativa” da QD Solar é alcançada através da adição de uma camada de perovskita em conjunto com uma célula fotovoltaica de silício. A “abordagem passiva” da SunDensity envolve revestimentos que deslocam eficientemente 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 mais de 40 % de eficiência de módulo quando combinadas.

Yahoo Finance

Portanto, a combinação de usar no mesmo painel solar perovskita (fótons visíveis de alta energia), nano‑revestimentos (luz UV) e pontos quânticos (fótons infravermelhos) poderia alcançar a eficiência máxima possível para um painel solar.

Fonte: QD Solar

A perspectiva de futuros painéis solares com eficiência de 40 % e ainda mais no futuro pode ser um divisor de águas para a indústria.

Alta eficiência e painéis solares mais duráveis podem ser especialmente valiosos para aplicações exigentes como energia solar baseada no espaço.