NanoLighting: O mundo dos nanomateriais aplicados a dispositivos emissores de luz

Por Everton Bonturim

A partir de agora uma nova palavra acaba de entrar no seu vocabulário, NanoLighting pode ser definida como uma área de desenvolvimento científico e tecnológico com interesse em dispositivos e sistemas emissores de luz à base de nanomateriais.

nano1Não se trata de um nome consolidado para a área, muito menos uma marca registrada, mas já encontramos seu uso em algumas pautas com a tag nanotechnology. Talvez por ainda se tratar de estudos muito recentes, pode haver um enorme potencial para o termo se tornar uma definição mundialmente conhecida no desenvolvimento de novos dispositivos.

Traduzindo do próprio nome, nano é relativo à escala dimensional nanométrica (1 nanômetro (nm) equivale a bilionésima parte do metro, 10-9 metro) e lighting, do inglês, significa iluminação.

A nanotecnologia é um segmento do desenvolvimento tecnológico baseado em conhecimentos da área de estudos conhecida como nanociência. Nessa área, toda a ciência que conhecíamos há séculos se torna frágil e imprecisa devido ao comportamento diferenciado dos materiais que apresentam a característica de serem dimensionados na faixa entre 1 e 100 nm (nanômetros) (10-9 a 10-7 metros). Em suma, todas as propriedades que definem o comportamento de um material (conjunto de átomos/moléculas/íons) podem sofrer mudanças devido ao pequeníssimo tamanho do material.

Um único átomo de ferro tem raio próximo de 0,05 nanômetro, se imaginarmos um cubo de 10 nanômetros de lado (1000 nm3), teremos nesse material algo próximo de 106 átomos. Parece muito, mas quando tratamos de átomos, veremos que é pouco. Lembre-se que 1 mol de átomos de ferro pesa 56 gramas e tem 6,02×1023 átomos!

O campo de aplicação da nanotecnologia já se estende por diversas áreas como a medicina, a química industrial, a física, engenharia, informática entre outras.

Os estudos sobre as propriedades dos nanomateriais já interferiu na forma como vivemos atualmente, principalmente se pensarmos que os chips de computadores são feitos com centenas de processadores de 22 nm (Intel), que os semicondutores permitiram a miniaturização dos dispositivos eletrônicos de celulares e televisores. Há inúmeros estudos, ainda recentes, sobre a utilização de nanotecnologia para produção de medicamentos e sistemas de entrega de fármacos no organismo (termo mais conhecido como drug delivery). Novas terapias contra diversas doenças e diagnósticos médicos são baseadas essencialmente em nanopartículas capazes de carregar o fármaco pelo organismo e distribuí-lo em doses controladas no lugar correto, evitando variações bruscas de disponibilidade da droga nos níveis plasmáticos do paciente. Segundo os estudos de CHO et al. (2008), existem várias terapias para o câncer que dependem de nanofármacos e carreadores de drogas para o combate dessas doenças. Os interessados podem consultar este artigo (veja nas referências) de acesso aberto e público.

Essa nova abordagem de domínio da matéria em uma escala cada vez menor nos trouxe a possibilidade de controlar e ajustar de forma cada vez mais precisa a resposta que queremos obter dos materiais, direcionando assim sua aplicação.

Uma das áreas que mais chama a atenção dos cientistas e da indústria é a forma como sustentavelmente podemos converter energia para trazermos benefícios a sociedade, nesse aspecto, entramos na discussão das fontes de energia renováveis.

Podemos ir além e pensarmos que não basta apenas buscarmos fontes de energia renováveis e alternativas, devemos também aprimorar nossa tecnologia a fim de buscar formas mais eficientes de aproveitar essa energia. Então temos o avanço científico e tecnológico em prol da busca por inúmeros dispositivos mais eficientes, dentre eles, os dispositivos emissores de luz.

Quanto mais a fundo passamos a estudar a natureza da matéria, maior se torna a necessidade de interligar as ciências para compreendermos a abrangência dos fenômenos e comportamentos que queremos controlar. Nesse sentido, o desenvolvimento de tecnologia na área de nanociência requer o compromisso de profissionais de diversas áreas que se complementam.

Na busca pela melhora nos processos que usamos para converter energia elétrica em energia luminosa, os cientistas envolvidos na área de fotônica passam a olhar a matéria e a radiação como um combo cheio de vantagens. Vou explicar melhor isso.

A história começa quando o primeiro dispositivo emissor de luz foi descoberto, a lâmpada! Isso aconteceu no século XIX por um cientista chamado Humphry Davy. Em 1879, o famoso Thomas A. Edison melhorou e passou a comercializar esse “brilhante” artefato que mudou a vida da sociedade moderna.

Todos sabemos hoje em dia que a lâmpada incandescente converte a energia elétrica em energia térmica (maior parte) e energia luminosa, mas que infelizmente consome muito para fazer seu trabalho. Por isso tivemos a evolução das lâmpadas frias (fluorescentes).

Atualmente, com a evolução da microeletrônica, temos dispositivos conhecidos como LED (Light Emitting Diode), que funcionam com dois semicondutores dopados com impurezas (átomos que conseguem absorver energia e emitir fótons quando seus elétrons de valência saltam entre os estados fundamental e excitado na estrutura eletrônica), formando uma junção p-n capaz de trocar elétrons entre as bandas de valência e condução e assim emitir radiação eletromagnética visível (luz) com comprimento de onda (cor) característico.

Existem diversas formas de fazer um material específico emitir radiação eletromagnética visível, elas vão diferenciar pelo tipo de interação com a matéria que promoverá a emissão de fótons do mesmo, podendo ser chamadas de fotoluminescência, radioluminescência, quimiluminescência, triboluminescência, sonoluminescência, bioluminescência, eletroluminescência.

Os estudos para o desenvolvimento de Nanolighting baseiam-se em materiais que contenham átomos capazes de absorver energia do meio externo e tenham sua estrutura capaz de emitir radiação eletromagnética visível (lembre-se das impurezas presentes nos LEDs). Dentro da classe de compostos que fazem bem essa função, temos os elementos terras raras.

As terras raras compreendem a família dos lantanídeos na tabela periódica (57La-71Lu) e os elementos escândio (21Sc) e ítrio (39Y). São elementos de difícil separação (apresentam propriedades químicas semelhantes), presentes nos minérios do solo, como a monazita encontrada em abundância no território brasileiro, e suas aplicações são fantásticas na indústria de sistemas eletrônicos.

Distribuição das terras raras na monazita brasileira. Fonte: Krumholz, Pavel, 1991, Brazilian practice for monazite treatment: symposium on Rare Metals, sendai, Japan, December 12–13, 1991, Proceedings, p. 78–82.

Distribuição das terras raras na monazita brasileira. Fonte: Krumholz, Pavel, 1991, Brazilian practice for monazite treatment: symposium on Rare Metals, sendai, Japan, December 12–13, 1991, Proceedings, p. 78–82.

Esses átomos apresentam uma estrutura eletrônica característica que permite com que eles emitam luz com comprimento de onda (cor) muito bem definido, o que os tornam elementos muito interessantes para quem trabalha com dispositivos emissores de luz com pureza de cor.

As cores que vemos nas imagens dos monitores e TVs estão nos pixels formados por esses elementos. Por exemplo, o elemento európio (63Eu3+) é responsável pela cor vermelha; o térbio (65Tb3+) pela cor verde e o túlio (69Tm3+) pelo azul, mas claro que isso pode variar de acordo com o composto que for preparado.

nano4

Existem atualmente dispositivos que já são feitos com WLED (White Light Emitting Diode), essa tecnologia é capaz de criar um diodo com emissão no branco (branco é a mistura de todas as cores), estudos estão sendo focados na produção de WLEDs que possam complementar a aplicação dos LEDs em diversas áreas, sem contar que a emissão no branco de um único ponto é de grande interesse para melhora da resolução e nitidez das imagens. Não iremos tratar dos OLEDs neste artigo, mas é importante ressaltar que eles já são comercialmente utilizados.

Outras áreas contemplam a versatilidade de aplicação das terras raras como emissores, conversores e captadores de luz. No desenvolvimento de células solares, temos uma infinidade de possibilidades para utilização de compostos capazes de absorver faixas de radiação do sol (ultravioleta e infravermelho) que não são aproveitadas pelas células solares convencionais que atualmente só utilizam a radiação eletromagnética na faixa do visível, como pode ser visto na imagem abaixo. Esse aproveitamento extra aumentaria a eficiência de conversão desses dispositivos.

No ramo de pesquisas sobre marcadores biológicos, nanopartículas capazes de absorver radiação infravermelho e liberar no visível (up-conversion) ou por mecanismos (down-conversion) para bioimagem, terapia fotodinâmica, drug release etc.

É claro que, por uma questão de limitação de espaço e tempo, não podemos entrar em detalhes sobre a grande parte das aplicações nesse tema, o intuito aqui foi mostrar uma pequena fresta nessa janela para o mundo dos materiais luminescentes.

Sabemos que os avanços tecnológicos alcançados nos trazem cada vez mais desafios maiores e mais complexos, as possibilidades de desenvolvimento e aplicação são imensas nessas áreas e temos que nos dispor a enfrentá-los e conquistá-los todos os dias.

Para saber mais:

CHO, K.; WANG, X.; NIE, S.; CHEN, Z. G.; SHIN, D. M. Therapeutic nanoparticles for drug delivery in cancer. Clinical cancer research : an official journal of the American Association for Cancer Research, v. 14, n. 5, p. 1310–6, 2008. Disponível em: <http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/18316549>. Acesso em: 9/7/2014.

Nano.gov – National Nanotechnology Initiative. What is nanotechnology? Disponível em: <http://www.nano.gov/nanotech-101/what/definition> Acesso em: 1/7/2014.

Blog Nanoluminescent. Laboratório de Química Supramolecular e Nanotecnologia do IPEN. Disponível em: <http://nanoluminescent.blogspot.com.br/p/luminescencia.html>. Acesso em: 1/7/2014.

Sobre o autor:

Everton Bonturim é Químico, mestre em Tecnologia Nuclear pela Universidade de São Paulo e atualmente desenvolve seu doutorado em Química de Materiais Luminescentes na mesma instituição. Trabalha com síntese e caracterização de nanomateriais dopados com terras raras em colaboração com a University of Turku (Finlândia), tem experiência em Química Inorgânica, Ciência dos Materiais, Espectroscopia e Células a Combustível.

 

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