Nova fonte de luz é criada com nanocristais de terras raras

Cientistas conseguiram algo que parecia impossível: Fazer um cristal eletricamente isolante emitir luz quando é submetido a uma corrente elétrica.

O material de pesquisa é bem famoso, cristais de terras raras, só que reduzidos a dimensões nanoscópicas. Esses nanocristais de lantanídeos são quimicamente muito estáveis, o que os torna atraentes para inúmeras pesquisas, incluindo a emissão de luz, mas eles também são notoriamente resistentes à excitação elétrica, já que são isolantes.

O que Jing Tan e colegas de universidades de Cingapura, China e Hong Kong queriam era ativar nesses nanocristais o fenômeno da eletroluminescência, a conversão direta de eletricidade em luz.

Apesar do sucesso dos LEDs orgânicos e dos pontos quânticos, que já equipam telas e outras fontes de iluminação, os pesquisadores continuam em busca de solução mais versáteis, que combinem capacidade de ajuste da cor, eficiência de conversão eletricidade/luz e durabilidade.

Os nanocristais de lantanídeos pareciam promissores, ao menos teoricamente, mas antes era preciso convencê-los a conduzir eletricidade e emitir luz. Foram necessários quase quinze anos de trabalho para isso.

Foi uma autêntica nanoengenharia para tornar os cristais emissores de luz.
[Imagem: Jing Tan et al. – 10.1038/s41586-025-09717-1]

Nanocristais de lantanídeos emissores de luz

A ideia que deu origem a esta descoberta surgiu em 2011, quando a equipe do professor Liu Xiaogang, da Universidade Nacional de Cingapura, forçou um monte de eletricidade através de um nanocristal de lantanídeo e observou uma tênue emissão de luz. “Naquela época, a corrente elétrica mal conseguia produzir qualquer emissão mensurável, mas estávamos fascinados com a possibilidade. Era como perseguir a luz aprisionada dentro de uma pedra,” lembra ele.

Desde então, o trabalho envolveu síntese de nanomateriais, projeto molecular e engenharia dos dispositivos. Cada tentativa trazia novas perspectivas sobre como a energia se move, ou deixava de se mover, através da interface entre moléculas e nanocristais. Ao longo dos anos, a paciência gradualmente substituiu a frustração, e o que começou como uma ideia especulativa evoluiu para uma compreensão profunda de como os ligantes moleculares podem mediar a transferência de carga em materiais isolantes.

Essencialmente, a equipe descobriu como reinventar a geração fotoelétrica de luz. Em vez de forçar a passagem de corrente por nanocristais isolantes, os pesquisadores os envolveram em moléculas semicondutoras orgânicas especialmente projetadas. Esses ligantes funcionam como intermediários moleculares, capturando elétrons e lacunas sob um campo elétrico e transferindo sua energia para os íons de lantanídeos dentro do cristal, que então emitem a luz.

A amplitude da emissão de luz dos nanocristais é impressionante.
[Imagem: Jing Tan et al. – 10.1038/s41586-025-09717-1]

Luz de banda larga

O resultado é uma emissão de luz brilhante e estável cobrindo não apenas todo o espectro visível, mas avançando até o infravermelho próximo, obtida sem sequer precisar alterar a estrutura do componente emissor de luz – é possível alterar a cor da luz emitida apenas alterando o dopante lantanídeo.

Testes espectroscópicos revelaram uma conversão de spin ultrarrápida e uma transferência de energia tripleto de quase 99%, marcando um nível de controle sem precedentes sobre a dinâmica do sistema. Protótipos fabricados pela equipe mostraram-se 76 vezes mais eficientes do que versões anteriores.

A equipe estima que passar seus nanocristais emissores de luz do laboratório para as aplicações práticas levará bem menos tempo do que foi necessário para fazê-los funcionar.