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Planeta Universitário

Pesquisadores desenvolvem novo tipo de material na forma de nanotubos

Publicado em 28 junho 2017

Nos últimos anos, uma categoria de materiais começou a despertar o interesse de pesquisadores por sua flexibilidade e diversidade de aplicações como catalisadores, sensores e transportadores de fármacos. São os hidróxidos duplos lamelares (HDL) – materiais formados pelo empilhamento de camadas metálicas com cátions divalentes e trivalentes (íons com carga positiva, capazes de doar dois e três elétrons, respectivamente, quando se ligam a outros átomos), alternadas com camadas de íons com carga negativa (ânions).

Um grupo de pesquisadores dos Institutos de Física e de Química da Universidade de São Paulo (USP), em colaboração com colegas da Universidade de Leuven (KU Leuven), da Bélgica, estruturou esse material na forma de nanotubos – folhas do material enroladas de modo a formar uma peça cilíndrica como um canudo de refrigerante com diâmetro equivalente à bilionésima parte do metro.

Com isso, conseguiram aumentar a área superficial do material ao dotá-lo de pequenos poros cilíndricos e ocos. Esses poros são capazes de abrigar diversos elementos e estruturas químicas e, por conseguinte, podem ser utilizados para conferir propriedades extras ao material.

Resultado de um projeto apoiado pela FAPESP na modalidade Jovens Pesquisadores em Centros Emergentes, o estudo foi publicado em uma edição especial da revista Chemical Communications, da Royal Society of Chemistry.

A publicação, intitulada “Emerging investigators issue 2017”, apresenta pesquisas realizadas por pesquisadores internacionais, em estágios iniciais de suas carreiras e que têm feito contribuições significativas em seus respectivos campos de estudos. Entre eles está Danilo Mustafa, professor do Departamento de Física dos Materiais e Mecânica do IF-USP, responsável pela pesquisa e orientador do primeiro autor do artigo, o estudante de doutorado Alysson Ferreira de Morais.

“O convite para divulgar os resultados da minha pesquisa nessa publicação representa o reconhecimento internacional do trabalho que venho desenvolvendo durante minha carreira científica e, especialmente, desse estudo que comecei a realizar em 2013, durante meu pós-doutorado, quando fiz um estágio de pesquisa na KU Leuven por meio de uma Bolsa concedida pela FAPESP”, disse Mustafa à Agência FAPESP.

Materiais luminescentes

Durante seu pós-doutorado, o pesquisador, em parceria com os colegas da Bélgica, desenvolveu estruturas de HDL em escala nanométrica dopadas com íons terras-raras – um grupo de 17 minerais que apresentam propriedades físico-químicas com diversas aplicações, como em catalisadores e materiais luminescentes. O objetivo era obter um novo material luminescente capaz de captar energia solar com maior eficiência para utilização em sistemas fotoquímicos e fotovoltaicos.

Para desenvolver esses materiais, os cátions divalentes e trivalentes das camadas metálicas dos HDLs são parcialmente substituídos por íons terras raras, enquanto um fotossensibilizador é adsorvido (retido) entre as camadas. O fotossensibilizador é capaz de absorver a energia incidente sobre o material e transferi-la de maneira eficiente para os íons terras-raras.

Com base nos resultados bem-sucedidos do projeto, eles decidiram desenvolver o HDL em uma forma diferente da tradicional – flocos micrométricos – com o objetivo de aumentar sua área superficial.

“Apesar de serem versáteis e possibilitar acomodar moléculas intercaladas entre suas camadas metálicas, os HDLs têm limitação de espaço. Isso inviabiliza que carreguem moléculas ou complexos muito grandes, como quantum dots (pontos quânticos) [nanopartículas ou nanocristais de material semicondutor com diversas propriedades e inúmeras aplicações, como em tecnologias de emissão de luz]”, explicou Mustafa.

A fim de superar essa limitação de espaço, eles pensaram em estruturar o material na forma de nanotubos com a cavidade principal oca e, dessa forma, permitir acomodar estruturas maiores no interior deles.

Por meio de uma nova estratégia, em que utilizaram um polímero como molde para o HDL assumir a forma de nanotubos e que é removido ao final do processo, eles conseguiram alcançar esse objetivo e obter nanotubos cilíndricos de uma mistura de alumínio, zinco e európio.

“Foi a primeira vez que se estruturou HDL na forma de nanotubos autossustentados”, afirmou Mustafa.

A fim de explorar e melhorar as propriedades luminescentes (de emissão de luz) do material, os pesquisadores colocaram os nanotubos em contato com quantum dots de telureto de cádmio (CdTe) – um composto químico formado por telúrio e cádmio que, na forma cristalina, apresenta propriedades semicondutoras e fotovoltaicas.

Os resultados das análises indicaram que os nanotubos interagiram com os pontos quânticos de telureto de cádmio, produzindo uma nova classe de materiais luminescentes.

“Essa morfologia única dos nanotubos de HDL e a possibilidade de interagir com diferentes compostos aumentam o leque de aplicações possíveis para os HDLs, oferecendo oportunidades nas áreas de catálise, dispositivos e materiais biológicos ativos, como transportadores de fármacos”, avaliou Mustafa.

Os pesquisadores pretendem esclarecer, agora, os mecanismos de formação do material com esse tipo de estrutura e explorar suas diversas aplicações.

O artigo “ Hierachical self-supported ZnAlEu LHD nanotubes hosting luminescent CdTe quantum dots”), (doi: 10.1039/C7CC02097J), de Mustafa e outros, pode ser lido por assinantes da revista Chemical Communications em pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2017/cc/c7cc02097j#!divAbstract.

Agência FAPESP