Investindo nas Conquistas do Prêmio Nobel – Pontos Quânticos e Nanocores

História do Prêmio Nobel

O Prêmio Nobel está entre as distinções mais reconhecidas do mundo. Foi criado conforme o testamento do Sr. Alfred Nobel para premiar “aqueles que, no ano anterior, trouxeram o maior benefício à humanidade” nas áreas de física, química, fisiologia ou medicina, literatura e paz.

Em 1968, o banco central sueco instituiu o Prêmio de Ciências Econômicas em Memória de Alfred Nobel, frequentemente chamado de Nobel de Economia. Ele não fazia parte dos cinco prêmios originais previstos no testamento.

A seleção dos laureados cabe a instituições específicas. Os prêmios científicos e o de literatura são atribuídos na Suécia; o da paz é decidido pelo Comitê Nobel Norueguês.

Preocupações com o Legado

Uma história bastante repetida associa a criação dos prêmios a um obituário que teria confundido Alfred Nobel com seu irmão e o chamado de “mercador da morte”. A anedota não deve ser apresentada como explicação comprovada de sua decisão.

Nobel foi químico, inventor e industrial, conhecido pela dinamite e por outros explosivos. A dinamite não era um explosivo sem fumaça: sua pólvora sem fumaça, a balistite, era outra invenção. Seu testamento destinou a maior parte da fortuna a prêmios que beneficiassem a humanidade.

Prêmio Nobel

O patrimônio deixado por Nobel é administrado para financiar os prêmios e as atividades da Fundação Nobel. Cada prêmio inclui uma medalha de ouro, um diploma e uma quantia em dinheiro. Em 2024, o valor por categoria era de 11 milhões de coroas suecas, aproximadamente US$ 1 milhão à época.

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.

Ao longo dos anos, o Prêmio Nobel reconheceu tanto descobertas fundamentais quanto aplicações práticas. Entre os avanços premiados estão descobertas relacionadas à radioatividade, aos antibióticos, aos raios‑X e à PCR, além de descobertas fundamentais, como a fonte de energia do sol, a carga do elétron, à estrutura atômica e à 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

Em nanocristais suficientemente pequenos, o confinamento quântico altera os níveis de energia disponíveis aos elétrons. Por isso, partículas do mesmo material podem absorver e emitir luz de cores diferentes conforme seu tamanho. Não se trata apenas de reorganizar elétrons em torno do núcleo de um átomo isolado.

Mais precisamente, isso deriva da aplicação da equação de Schrödinger, que descreve o comportamento quântico. O confinamento dos elétrons em estruturas muito pequenas ajuda a explicar por que o tamanho modifica as propriedades ópticas.

Em 1937, Herbert Fröhlich previu que partículas suficientemente pequenas poderiam apresentar propriedades diferentes das do mesmo material em grandes volumes. O espaço limitado para os elétrons tornaria importantes os efeitos quânticos.

Como a interação entre luz e elétrons determina muitas propriedades ópticas, esse confinamento permite que o tamanho das nanopartículas influencie a cor da luz absorvida ou emitida.

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

Em 2024, as telas e a iluminação já eram aplicações comerciais importantes dos pontos quânticos. Na biologia e na medicina, havia também usos e pesquisas em marcação e imagem, com limitações de segurança que variam conforme o material. Estimativas do tamanho do mercado dependem da definição e da fonte.

Outras aplicações continuam em desenvolvimento, desde a pesquisa de detecção de câncer com pontos quânticos infravermelhos até a criação de sistemas solares pancromáticos, passando por novas possibilidades de fabricação eletrônica com nanofotônica.

Do Vidro Antigo à Física Quântica

Fabricantes de vidro já sabiam que diferentes aditivos e tratamentos térmicos podiam alterar sua cor. A pesquisa moderna explicou como nanopartículas dentro do vidro contribuem para esse efeito. O conhecimento antigo sobre vidro colorido não deve ser confundido com domínio da síntese moderna de pontos quânticos.

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

Aleksey Yekimov investigou vidro colorido contendo cloreto de cobre. A análise por raios X mostrou cristais de cloreto de cobre com tamanhos de aproximadamente 2 a 30 nanômetros, dependendo do tratamento térmico. Não eram simplesmente partículas de cobre metálico.

Os cristais maiores apresentavam comportamento mais próximo ao do material em grandes volumes. Nos menores, a absorção deslocava-se para comprimentos de onda mais curtos, em direção ao azul.

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 publicou seus resultados na União Soviética no início dos anos 1980. Louis Brus desenvolveu depois uma linha de pesquisa independente, sem conhecer inicialmente essa descoberta. Isso não significa que todo o Ocidente só teve acesso ao trabalho após o fim da União Soviética.

Partículas de Pontos Quânticos Suspensas

Nos Bell Labs, nos Estados Unidos, Louis Brus estudou como usar energia solar para promover reações químicas. Ele utilizou partículas de sulfeto de cádmio em solução e buscou tamanhos pequenos para aumentar a área de superfície disponível.

Brus observou que a absorção de luz mudava conforme as partículas cresciam durante o armazenamento. Ao comparar partículas de aproximadamente 4,5 e 12,5 nanômetros, encontrou uma dependência em relação ao tamanho.

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 chegou ao laboratório de Louis Brus como pesquisador de pós-doutorado em 1988. Investigou como solventes, temperaturas e outras condições influenciavam a formação dos nanocristais.

Mais tarde, no MIT, desenvolveu um método reprodutível para produzir partículas de tamanho bem controlado:

• Os reagentes eram injetados em um solvente quente, desencadeando a formação dos primeiros núcleos cristalinos.
  • Isso levou à formação simultânea de pequenos “embriões” cristalinos.
  • A injeção reduzia a temperatura e interrompia a formação de novos núcleos.
• O aquecimento subsequente permitia o crescimento controlado dos cristais já formados.
  • As condições de crescimento favoreciam superfícies de boa qualidade e propriedades ópticas consistentes.

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.

Propriedades ajustáveis na escala nanométrica

Os pontos quânticos ampliaram as possibilidades de projetar materiais: além da composição química, o tamanho dos nanocristais permite ajustar propriedades ópticas e eletrônicas. Isso não constitui, por si só, um novo estado da matéria.

A tabela de Mendeleev foi organizada originalmente com base em massas atômicas e propriedades químicas. A tabela periódica moderna segue o número atômico. As propriedades dos elementos dependem da estrutura eletrônica, mas o comportamento de um nanocristal também depende do confinamento dos elétrons.

Fonte: Britannica

O controle do tamanho acrescenta uma variável importante à engenharia de materiais. Nanocristais da mesma composição podem apresentar propriedades diferentes, sem que isso crie novos elementos químicos ou altere a tabela periódica.

Isso lembra outros materiais com propriedades singulares, entre eles nanotubos e materiais bidimensionais, como grafeno, borofeno e goldeno.

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

Pontos quânticos também são pesquisados em dispositivos ópticos e meios de ganho. A incorporação em matrizes sólidas é uma estratégia possível, mas não se deve apresentar os cristais originais de Yekimov como componentes usuais de todos os amplificadores de 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

Pesquisadores estudam pontos quânticos como marcadores para imagem de tumores, ligados a moléculas que reconhecem determinados alvos celulares. A seletividade não é necessariamente exclusiva das células cancerígenas, e o desempenho depende do material e do contexto biológico.

Fonte: Degruyter

Outra linha de pesquisa é a fototerapia, na qual materiais absorvem luz e geram calor ou espécies químicas reativas capazes de danificar células tumorais. O potencial dos pontos quânticos nessa área não significa que seu uso seja uma prática clínica rotineira ou aprovada para todas essas aplicações.

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.

Pontos quânticos de carbono e outros nanomateriais de carbono são estudados como fotocatalisadores. Solubilidade, fotoluminescência, toxicidade e facilidade de funcionalização dependem da composição e da superfície. Nanotubos, fulerenos e folhas de grafeno não são todos, automaticamente, pontos quânticos de carbono.

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

Uma possibilidade é combinar absorvedores com diferentes intervalos de energia para aproveitar melhor o espectro solar. Células de silício não aproveitam apenas os fótons de maior energia: os abaixo do intervalo de banda não são absorvidos de modo útil, enquanto parte da energia excedente dos fótons absorvidos é dissipada como calor.

Os limites de eficiência dependem da arquitetura, do espectro e da concentração da luz. Uma célula convencional de junção única e um dispositivo tandem não têm o mesmo limite. O valor de 66% não é uma eficiência automaticamente disponível para qualquer célula com pontos quânticos.

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. Eles também podem integrar sistemas de controle ou detecção de spins e fontes de fótons individuais.

A fabricação de pontos quânticos é bem estabelecida para algumas aplicações, mas construir qubits uniformes, controlá-los e corrigir erros continua sendo um desafio. A existência de processos comerciais para telas não garante computadores quânticos baratos ou produção em massa imediata.

Investindo em Pontos Quânticos & Nanotecnologia

As telas QLED eram uma aplicação comercial importante em 2024. A Samsung Electronics (SSNLF) estava entre as empresas de destaque nesse segmento.

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.

É possível acessar ações de empresas de nanotecnologia por meio de corretoras. Aqui, no securities.io, você encontra comparações de corretoras para os Estados Unidos, Canadá, Austrália, o Reino Unido, e diversos outros países.

Uma alternativa às ações individuais são fundos temáticos, como o ProShares Nanotechnology ETF (TINY). Já o Direxion Nanotechnology ETF (TYNE) foi encerrado e liquidado em fevereiro de 2023, portanto não era uma alternativa ativa em 2024. Fundos temáticos podem diversificar posições, mas mantêm riscos setoriais e não oferecem exposição exclusiva a pontos quânticos.

Você também pode consultar nossa lista das “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.

Em fevereiro de 2023, a Nanoco anunciou um acordo com a Samsung envolvendo licenciamento e venda de propriedade intelectual. Os pagamentos brutos somavam US$ 150 milhões; a empresa esperava reter mais de US$ 90 milhões após custos jurídicos e de financiamento do litígio. O processo havia começado em 2020, não em 2021.

Assim, pode oferecer uma forma de investir em pontos quânticos semelhante à Samsung, mas com um foco mais forte nessa tecnologia em particular.

As áreas de desenvolvimento da Nanoco incluíam materiais para telas e sensores infravermelhos. A empresa também investigava outras aplicações, como marcação de segurança em notas.

Fonte: Nanoco

Outra área de desenvolvimento era a de pontos quânticos infravermelhos da linha Heatwave. Entre as aplicações potenciais de sensores baseados nesses materiais estavam:

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

No semestre encerrado em 31 de janeiro de 2024, a Nanoco informou ter atendido seus primeiros pedidos de produção comercial, para dois materiais destinados a sensores infravermelhos. Isso não equivale a demonstrar adoção comercial de todas as aplicações listadas.

A ausência de cádmio pode ser uma vantagem para determinadas aplicações. Contudo, “livre de cádmio” não significa automaticamente biocompatível, aprovado para uso médico ou isento de outros riscos toxicológicos.

2. QD Solar / SunDensity Canada

Em junho de 2024, a SunDensity anunciou a aquisição da QD Solar e a criação da subsidiária SunDensity Canada. A QD Solar desenvolvia materiais fotovoltaicos a partir de pesquisa da Universidade de Toronto.

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

A SunDensity desenvolve revestimentos fotônicos que procuram converter parte da luz incidente em comprimentos de onda mais aproveitáveis pelas células solares. Sua proposta não se limita a bloquear a radiação ultravioleta para proteger os painéis.

Segundo o anúncio das empresas, a abordagem ativa da QD Solar acrescenta uma camada de perovskita a uma célula de silício. A abordagem passiva da SunDensity usa revestimentos para deslocar a energia da luz incidente para uma faixa que o painel aproveite melhor.

As empresas apresentaram eficiência de módulo acima de 40% como potencial da combinação das tecnologias, não como resultado comercial já demonstrado.

Yahoo Finance

Combinar materiais que absorvem partes diferentes do espectro pode aumentar a eficiência. O resultado depende da arquitetura e das perdas reais; não há garantia de atingir a eficiência máxima fisicamente possível apenas por reunir perovskitas, revestimentos e pontos quânticos.

Fonte: QD Solar

Módulos com eficiência superior a 40% seriam relevantes para a indústria, mas, no contexto desse anúncio de 2024, tratava-se de uma meta tecnológica, não de desempenho comercial confirmado.

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