Este desenvolvimento também representa uma nova aplicação dos quantum-dots, que têm sido utilizados principalmente para a marcação de células e moléculas biológicas, assim como em telas de computador e televisão.
"Usar quantum-dots em espectrômetros é uma aplicação simples em comparação com tudo o mais que nós tentamos fazer, e eu acho que isso é muito atraente", diz Moungi Bawendi, professor do MIT e autor sênior do artigo.


Encolhendo espectrômetros

Os primeiros espectrômetros consistem de prismas que separam a luz em seus comprimentos de onda, enquanto que os modelos atuais usam equipamentos ópticos, como as redes de difração para conseguir o mesmo efeito. Os espectrômetros são utilizados numa grande variedade de aplicações, tais como o estudo de processos atômicos e níveis de energia em física e química, ou na análise de amostras de tecidos em pesquisa biomédica e diagnóstico.

A substituição destes equipamentos ópticos volumosos pelos baseados em quantum-dots permitiu a equipe do MIT "encolher" os espectrômetros para aproximadamente o tamanho de uma moeda de 25 centavos de dólar americano, e para aproveitar algumas das propriedades úteis inerentes dos quantum-dots.

Os quantum-dots, são um tipo de nanocristais descobertos no início de 1980, obtidos pela combinação de metais tais como chumbo ou cádmio com outros elementos, incluindo enxofre, selênio, ou arsênio. Controlando a proporção destes materiais de partida, a temperatura e o tempo de reação, os cientistas podem gerar um número quase ilimitado de quantum-dots com diferenças em uma propriedade eletrônica conhecida como bandgap, que determina os comprimentos de onda de luz que cada tipo de quantum-dot vai absorver.

No entanto, a maioria das aplicações existentes para quantum-dots não aproveitam essa enorme gama de absorção de luz. Em vez disso, a maioria das aplicações, tais como marcação de células ou novos tipos de telas de TV, exploram a fluorescência dos quantum-dots - uma propriedade que é muito mais difícil de controlar, diz Bawendi. "É muito difícil fazer algo que fluoresce com muito brilho", diz ele. "Você tem que proteger os quantum-dots, alem de ter que fazer toda esta engenharia."

Os cientistas também estão trabalhando em células solares baseadas em quantum-dots, que contam com a capacidade destas nanopartículas converterem luz em elétrons. No entanto, este fenômeno não é bem compreendido, e além de ser muito difícil o seu controle.
Por outro lado, as propriedades de absorção dos quantum-dots são bem conhecidas e muito estáveis. "Se pudermos contar com essas propriedades, é possível criar aplicações que terão um impacto maior em um prazo relativamente curto", enfatiza Bao.


Amplo espectro

O novo espectrômetro de quantum-dots implanta centenas de materiais quantum-dots que filtram um conjunto específico de comprimentos de onda da luz. Os filtros de quantum-dots são impressos em um filme fino e colocados em cima de um fotodetector tal como os dispositivos carga acoplada (CCDs) encontrados em câmaras de celulares. Os pesquisadores criaram um algoritmo que analisa a percentagem de fótons absorvidos por cada filtro, em seguida, recombinam os dados a partir de cada um para calcular a intensidade e o comprimento de onda dos raios de luz originais.

Quanto mais materiais de quantum-dots existem, mais comprimentos de onda podem ser cobertos e pode-se obter uma resolução mais elevada. Neste caso, os pesquisadores utilizaram cerca de 200 tipos de quantum-dots, distribuídos ao longo de um intervalo de cerca de 300 nanômetros. Com mais quantum-dots, tais espectrômetros poderiam ser projetados para cobrir uma gama ainda maior de frequências de luz.

"Bawendi e Bao mostraram uma elegante maneira de explorar a absorção óptica controlada de quantum-dots semicondutores para miniaturização de espectrômetros. Demonstram a construção de um espectrômetro que não é só pequeno, mas também com alto rendimento e de alta resolução espectral, nunca alcançada antes", diz Feng Wang, professor associado de física da Universidade da Califórnia em Berkeley.

Se forem incorporados em pequenos dispositivos portáteis, este tipo de espectrômetro poderia ser utilizado para diagnosticar doenças da pele ou analisar amostras de urina, diz Bao. Eles também poderiam ainda ser usados para controlar sinais vitais, tais como pulso e níveis de oxigênio, ou para medir a exposição a diferentes frequências de luz ultravioleta, que variam consideravelmente na sua capacidade para danificar a pele. "O componente central desses espectrômetros – o filtro matriz de quantum-dot - é fabricado com processamento e impressão à base de solução, permitindo assim uma potencial redução de custos", acrescenta Bao.

Instituto de Tecnologia de Massachusetts (Tradução - ACM).


Nota do Scientific Editor - O trabalho que deu origem a esta notícia de título: "A colloidal quantum dot spectrometer", de autoria de Jie Bao and Moungi G. Bawendi foi publicado, no periódico Nature, número 523, págs. 67–70, 2015, DOI:10.1038/nature14576.


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