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terça-feira, 6 outubro, 2015 - 9h13

Nanopartículas para detecção de radiação

Nanopartículas podem ser base para detectores mais sensíveis de radiação. As imagens feitas com microscópio eletrônico parecem revelar uma enorme quantidade de estrelas minúsculas, que medem apenas alguns micrômetros (milionésimos de metro)

   

As estruturas, produzidas por Eder Guidelli e Oswaldo Baffa, da Universidade de São Paulo (USP) de Ribeirão Preto, em parceria com David R. Clarke, da Harvard University, possuem núcleos de partículas de ouro e de prata, cercados por uma “casca” de ZnO (óxido de zinco).

E elas têm potencial para melhorar a eficiência de diversos sistemas nos quais seja necessário detectar luz ou radiação com alto grau de sensibilidade.

Os pesquisadores descreveram os detalhes da fabricação e das propriedades das estrelas microscópicas de metais preciosos e óxido de zinco em artigo publicado na revista Scientific Reports, do grupo Nature.

Agência Fapesp
Estruturas produzidas por pesquisadores da USP e de Harvard têm potencial para melhorar a eficiência de sistemas nos quais seja necessário detectar luz ou radiação com alto grau de sensibilidade | Agência Fapesp
Estruturas produzidas por pesquisadores da USP e de Harvard têm potencial para melhorar a eficiência de sistemas nos quais seja necessário detectar luz ou radiação com alto grau de sensibilidade

Os estudos que levaram ao artigo foram feitos durante o doutorado de Guidelli, orientado por Baffa no Brasil e por Clarke em Harvard, com Bolsa da FAPESP. Guidelli atualmente faz o pós-doutorado, com outra bolsa.

A ideia de criar estruturas com um núcleo de ouro ou prata e uma “casca” de ZnO se deve às propriedades ópticas incomuns que derivam da junção desses materiais.

Diante da emissão de diversas formas de radiação eletromagnética (o que inclui tanto a luz visível como os raios X, por exemplo), os metais preciosos e o óxido de zinco têm características em comum que lhes permitem atuar em harmonia, explica Guidelli. “Uma analogia que gosto de usar é a do celular e a da antena que amplifica o sinal desse celular”, disse.

Morfologia estelar

Os experimentos realizados revelaram de forma precisa como essa amplificação ocorre. Um exemplo envolve a chamada OSL (sigla inglesa de “luminescência opticamente estimulada”), método que é bastante usado por geólogos e arqueólogos para datar sedimentos e objetos.

Digamos que as “estrelas” sejam bombardeadas com uma emissão radioativa (de raios X, por exemplo). O que ocorre inicialmente é que os elétrons presentes no óxido de zinco são ionizados, ou seja, arrancados da posição que normalmente ocupariam na estrutura molecular de ZnO, a sua camada de valência.

Depois desse bombardeio inicial, tais elétrons podem ficar presos em pequenos defeitos microscópicos dos “raios” da estrela, também chamados de armadilhas.

“Eles podem ficar lá indefinidamente, mas um pulso de luz é capaz de fazer com que eles voltem para a sua camada de valência. Ao retornar, eles emitem luz”, disse Guidelli.

Nesse processo todo, os fótons (partículas de luz) funcionam como uma espécie de “troco” dos fenômenos quânticos: quando um elétron fica temporariamente num estado excitado (ou seja, anormalmente energético), a produção de fótons permite que ele retorne aos seus níveis normais de energia.

Tudo isso poderia ocorrer apenas com a estrutura de óxido de zinco, mas a presença das partículas de ouro e prata faz com que todo o processo de desexcitação (ou seja, de retorno dos elétrons ao seu estado menos energético) ocorra de forma mais rápida e eficiente.

“Daí a analogia com uma antena, que facilita a transmissão e recepção de um sinal”, disse Guidelli.

Agência Fapesp
Imagens mostram detalhes do crescimento das partículas | Agência Fapesp
Imagens mostram detalhes do crescimento das partículas

A estrutura e as dimensões do material afetam os detalhes de como esse processo ocorre, daí a importância do processo de produção das estruturas em forma de estrelas.

Normalmente, o óxido de zinco seria produzido de maneira a aparecerem estruturas em formato de bastão em cima de um substrato de vidro, as quais, vistas de cima, lembram a cama cheia de pregos de um faquir.

Quando as partículas de ouro e prata são agregadas ao processo, porém, o volume certo dos metais preciosos faz com que a morfologia estelar apareça, basicamente porque os “raios” de cada estrela passam a usar as partículas como núcleo de crescimento.

Como esses núcleos são esféricos, os braços de ZnO se espalham em todas as direções, formando o que parece ser uma estrela de brinquedo. Os pesquisadores, inclusive, conseguiram quebrar um dos “raios” de uma das estrelas, revelando a partícula de metal precioso aninhada no centro da estrutura.

É importante controlar esses detalhes porque alguns deles, como a espessura do material, podem influir em suas propriedades ópticas. “É como a atmosfera de um planeta: se for muito espessa, ela recebe a radiação do Sol, mas não consegue mandar de volta essa energia para o espaço depois que ela chega à superfície”, comparou o professor Baffa.

A alta sensibilidade das estruturas produzidas pelos pesquisadores de Ribeirão Preto faz com que elas tenham potencial, por exemplo, para medir com precisão pequenos níveis de radiação no ambiente, minimizando os riscos médicos desse tipo de situação.

Aplicações na datação de objetos em escavações arqueológicas também seriam possíveis – com a sensibilidade do sistema, seria viável datar amostras muito pequenas de material.

Uma patente guarda-chuva (que protege diversas possíveis aplicações tecnológicas ligadas ao trabalho) já foi depositada no Brasil. “Obviamente, ainda há uma distância grande entre esse pedido de patente e algum futuro produto baseado nele”, disse Baffa.

Leia aqui o artigo Enhanced UV Emission From Silver/ZnO And Gold/ZnO Core-Shell Nanoparticles: Photoluminescence, Radioluminescence, And Optically Stimulated Luminescence (doi:10.1038/srep14004), de Guidelli, Baffa e Clarke.

Reinaldo Lopes | Agência FAPESP

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