Featured paper: Quantum dots with unique rules.


Quantum dots with unique rules



Simple diagram of semiconductor band structure. Credits






History of a theoretically announced experimental result







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Featured paper: “Green” nanoparticles for water treatment.

The scientific paper by members of the Brazilian community on Materials research featured this month is: “Green” colloidal ZnS quantum dots/chitosan nano-photocatalysts for advanced oxidation processes: Study of the photodegradation of organic dye pollutants. Alexandra A.P. Mansur, Herman S. Mansur, Fábio P. Ramanery, Luiz Carlos Oliveira, Patterson P. Souza. Applied Catalysis B: Environmental158–159 (2014), 269–279. DOI:10.1016/j.apcatb.2014.04.026.

“Green” nanoparticles for water treatment

A group of researchers from Brazilian institutions developed nanoparticles that are triply “green”. They can be used to purify water, one the greatest global challenges of the 21st Century. In addition to that, they coexist harmonically with the environment and biological systems. Finally, they are produced by means of an eco-friendly process.

“We managed to integrate properties and characteristics rarely found in nanostructured systems, which are biocompatibility and environmental compatibility, using a ‘green’ process”, says Professor Herman Sander Mansur from the Federal University of Minas Gerais (UFMG).

The particles are formed by “quantum dots” (fluorescent semiconductor nanocrystals) of zinc sulfide (ZnS) with approximately 3.8 nm in size, coated with “shells” made of chitosan – an abundant, low-cost material, derived from the external skeleton of crustaceans such as shrimps and crabs. The synthesis process of these particles is completed in a single stage, carried out in an aqueous medium, without using toxic substances.

In a study performed by the research team, the nanoparticles displayed the capacity to degrade contaminant organic pigments usually found in water, using only light, including direct sunlight.

“The results were very promising, since we were able to observe that the system was effective for the photodegradation of organic contaminants found in the aqueous solutions we studied,” said Herman Mansur, who is the corresponding author of a paper about the research, recently released by the journal Applied Catalysis B: Environmental.

The research will also be the subject of a patent application, which the authors already started writing. “The following step will be searching potential partners in the private sector, in order to commercialize it as a product for cleaning waters which are polluted by organic pigments”, says Mansur.

Schematic representation of the nanostructured system produced with a ZnS core and chitosan shell for photodegradation of organic pollutants in water.

History of the paper

It was during scientific discussions occurred in the monthly meetings of the Exact Sciences and Materials Board of the Minas Gerais State Research Foundation (FAPEMIG) that the initial idea for the research came up.  In fact, both, Herman Mansur, coordinator of the UFMG Nanosciences, Nanotechnology and Innovation Center, and Luis Carlos de Oliveira, coordinator of the research group in Advanced Materials for Catalysis and Photocatalysis in the same university, were members of said advisory committee between February 2010 and the same month in 2014. According to Mansur, “the main idea was to use nanotechnology to develop innovative environmental solutions to clean up water, as it is an increasingly scarce resource in the world, whether in developed or emergent countries, as well as the ones with low social and economic development”.

Then, the professors prepared a project that combined the experience from the two research groups: Professor Mansur’s team, dedicated for twenty years to the development of nanomaterials and nanostructures by means of the synthesis of quantum dots, and Professor Oliveira’s group, which had been working in the field of chemical catalysis, searching sustainable solutions for the treatment of industrial waste.

Their initial research led to a first article on nanoparticles with cadmium sulfide (CdS) core and niobium oxide shell: L. C Oliveira et. al. One-pot Synthesis of CdS@Nb2O5 Core-Shell Nanostructures with Enhanced Photocatalytic ActivityApplied Catalysis. B, Environmental, v. 152:53, p. 403-412, 2014 (DOI:10.1016/j.apcatb.2014.01.025).

As a result, the group conceived, designed and developed an application for the concept of “green chemistry” in the whole project, producing zinc sulfide and chitosan particles, and their synthesis process. In the following stage, their research also incorporated the collaboration of Professor Patterson P. Souza, from the Federal Center for Technological Education of Minas Gerais (CEFET-MG), who conducted mass spectrometry tests, assessing the degradation of the organic pigments used as models for the polluting chemical species.

Featured paper: ultrasmall crystals with modulated shell thickness.



Ultrasmall crystals with modulated shell thickness.





The paper




Artigo em destaque: Pontos quânticos desenvolvidos para LEDs mais eficientes.

O artigo científico de membros da comunidade brasileira de pesquisa em Materiais em destaque neste mês é:

Wan Ki Bae, Young-Shin Park, Jaehoon Lim, Donggu Lee, Lazaro A. Padilha, Hunter McDaniel, Istvan Robel, Changhee Lee, Jeffrey M. Pietryga & Victor I. Klimov. Controlling the influence of Auger recombination on the performance of quantum-dot light-emitting diodes. Nature Communications 4, article number 2661, published 25 October 2013. doi:10.1038/ncomms3661.

Texto de divulgação: 

Pontos quânticos desenvolvidos para LEDs mais eficientes

Um trabalho de pesquisa publicado no mês de outubro na Nature Communications, revista científica de conteúdo aberto do grupo Nature, resultou num material que aumenta dezenas de vezes a eficiência de LEDs de pontos quânticos ao diminuir a influência do efeito Auger, um dos principais limitadores da eficiência desses dispositivos que apresentam grande potencial para serem usados em iluminação, entre outras aplicações. O trabalho foi realizado no Grupo de Nanotecnologia e Espectroscopia Avançada do Laboratório Nacional de Los Alamos, localizado no sul dos Estados Unidos, com a participação de um doutor brasileiro, Lázaro Padilha, e com a colaboração de grupos da Coreia.

“O resultado veio depois de mais de um ano de pesquisa sobre como efetivamente minimizar o efeito Auger em pontos quânticos”, relata Padilha, atualmente professor do Instituto de Física da Unicamp, que chegou a Los Alamos em 2010 para fazer um estágio de pós-doutorado. O trabalho que gerou o paper na Nature Communications, além de outros artigos em periódicos de alto fator de impacto como Nano Letters e ACS Nano, começou no final de 2011 e, na sua primeira etapa, visou entender o processo físico para minimizar a influência do chamado “efeito Auger” ou “recombinação Auger” nos pontos quânticos.

Os pontos quânticos, cristais semicondutores de alguns nanometros de tamanho, apresentam propriedades que possibilitam a emissão de luz com brilho intenso e cores puras e podem ser fabricados usando técnicas simples e de baixo custo. Por esses motivos, essas nanopartículas são materiais interessantes para a fabricação de LEDs. Desde a primeira demonstração de LEDs de pontos quânticos, ocorrida em 1994 (Nature 370, 354 – 357, 04 August 1994; doi:10.1038/370354a0), esses dispositivos têm sido objeto de pesquisas visando otimizar sua capacidade de converter eletricidade em luz.

Nos LEDs, a emissão de luz se produz quando, ao se introduzir energia no dispositivo por meio de corrente elétrica, ocorrem recombinações nos átomos do material emissor. Especificamente, elétrons próximos ao núcleo do átomo saem de seu lugar deixando vagas, as quais são preenchidas por elétrons mais distantes, dotados de mais energia. A energia excedente pode sair em forma de fóton, ocorrendo a desejada emissão de luz, ou pode ser transmitida a um terceiro elétron, que será ejetado do átomo. Esta segunda possibilidade constitui o efeito Auger, que pode ser visto como um concorrente da emissão de luz no uso da energia.

Nanoengenharia dos pontos quânticos

Depois de compreender como minimizar a recombinação Auger nos pontos quânticos do ponto de vista físico e constatar que impacta significativamente na eficiência dos LEDs, o grupo de Los Alamos se propôs a desenvolver o material que teria o melhor desempenho frente a esse efeito. “Eu trabalhei nos estudos de espectroscopia para entender os processos físicos que levariam a um melhor desempenho dos materiais como base para LEDs”, diz Lázaro Padilha.

O desenvolvimento do material foi feito a partir de pontos quânticos compostos por um núcleo de seleneto de cádmio (CdSe) e uma casca de sulfeto de cádmio (CdS). Para conseguir a redução da influência do efeito Auger, os cientistas aplicaram duas estratégias de nanoengenharia: a variação da espessura da casca e a introdução de uma camada composta por uma liga de zinco, cádmio e enxofre (ZnCdS) entre o núcleo e a casca.

Após concluir, em Los Alamos, o desenvolvimento do material base, os colaboradores da Coreia do construíram LEDs com uma arquitetura na qual a camada emissora, formada pelos pontos quânticos, ficou inserida entre as camadas de transporte de cargas negativas e positivas, sendo uma inorgânica e a outra orgânica, respectivamente, como mostra a figura a seguir, extraída do artigo da Nature Communications:

“Uma vez encontrado o material que teria o melhor efeito, foram fabricados os LEDs e pudemos confirmar os resultados esperados”, conta Padilha. A confirmação ocorreu através de uma série de medidas espectroscópicas dos pontos quânticos dentro dos dispositivos.

De acordo com Padilha, com os novos materiais desenvolvidos, os cientistas conseguiram obter LEDs de pontos quânticos até 10 vezes mais eficientes, com uma taxa de conversão de energia elétrica em energia luminosa da ordem de 8%.