Quando ligamos a tela de um celular, uma lanterna LED ou um dispositivo que brilha na escuridão, o que ocorre microscópicamente é um processo chamado emissão de luz ou luminescência. Esse fenômeno sucede quando um material recebe energia, excitando ao seus elétrons que, quando voltam ao seu estado normal, liberam energia que é transformada em luz.
Essa luz pode ser visível, como as cores que vemos numa tela, ou invisível, como o infravermelho utilizado nos dispositivos tecnológicos. Mas para que um material seja realmente útil, precisa transformar a maior parte da energia que recebe em luz, pois se desperdiça muita energia em forma de calor, seu brilho será fraco ou pouco eficiente. Por isso, quanto mais luz seja emitida em comparação com a energia absorvida, melhor será seu desempenho.
O grande problema? Até agora, não existe uma forma confiável de saber, sem passar por um laboratório, que um material será eficiente emitindo luz. Os pesquisadores devem fabricar muitos compostos diferentes, provar um por um e analisar qual funciona melhor. Esse processo leva tempo, custa dinheiro e muitas vezes gera resíduos químicos que poderiam ser evitados. Além disso, como há milhares de possíveis combinações entre elementos e estruturas químicas, é impossível prová-las todas, limitando o desenvolvimento rápido e sustentável de novas tecnologias baseadas na luz.
Modelo preditivo
Para enfrentar este desafio, o Dr. Daniel Aravena, acadêmico do Departamento de Química dos Materiais da Universidade de Santiago do Chile (Usach), lidera um projeto Fondecyt Regular (Fundo Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico) que desenvolve um modelo computacional para predizer que materiais têm mais probabilidades de emitir luz eficientemente, sem necessidade de fabricá-los primeiro. A ideia é que, com ajuda de simulações, seja possível identificar quais compostos vale a pena estudar no laboratório, reduzindo assim o tempo, o esforço e os resíduos associados à tentativa e erro, melhorando a eficiência e diminuindo o impacto ambiental do trabalho de laboratório.
“O que queremos é construir um modelo computacional que possa predizer o desempenho quântico de um material, ou seja, quanta luz vai emitir em relação com a energia que absorve. Vamos combinar simulações teóricas com experimentos muito detalhados em laboratório. Enquanto projetamos e analisamos compostos no computador, outras equipes colaboradoras ficam responsáveis de sintetizá-los e medir com precisão como emitem luz em distintas condições, como temperatura ou tempo. O objetivo é que todos esses dados alimentem o modelo, para que no futuro possamos identificar os materiais mais prometedores sem necessidade de fabricar cada opção”, explica o acadêmico.
O projeto será desenvolvido através de uma estreita colaboração entre teoria e experimento. Por um lado, a equipe do Dr. Aravena vai trabalhar com ferramentas computacionais para simular como se comportam distintos materiais quando recebem energia, estimando quanta luz podem chegar a emitir. Essas simulações vão permitir identificar padrões e relações entre a estrutura química dos compostos e sua eficiência luminosa.
Por outro lado, os materiais serão sintetizados e estudados experimentalmente por equipes especializadas na Usach, a Universidade do Chile e laboratórios associados no Brasil e na Espanha. Alí serão realizadas medições detalhadas da emissão de luz dos compostos, considerando variáveis como o tempo, a temperatura e o tipo de energia utilizada, o que vai permitir validar e ajustar o modelo, de forma que suas predições sejam cada vez mais precisas e úteis para o projeto de novos materiais.
“Este projeto tem um desafio experimental muito grande, precisamos dados que não são fáceis de conseguir, como medir a forma em que emitem luz os materiais em diferentes temperaturas, incluindo faixas muito baixas, perto do zero absoluto. Para isso, estamos colaborando com o grupo do professor Ricardo Costa de Santana no Brasil e com o professor Juan Cabanillas em Madrid, que contam com o equipamento necessário para fazer essas medições com alta resolução temporal. São aportes chave que nos permitem construir uma base de dados realmente útil para alimentar e validar nosso modelo”, comenta o acadêmico.
Embora o foco do projeto está em compreender melhor como é produzida a emissão de luz molecularmente, suas possíveis aplicações são muito amplas, já que os materiais luminescentes são utilizados em telas, luzes LED, sensores, dispositivos médicos, etiquetas de segurança e inclusive em tecnologias para visualizar processos dentro do corpo humano. Ao desenvolver um modelo que permita predizer que compostos são os mais prometedores para cada aplicação, abre-se a possibilidade de projetar materiais mais eficientes e adaptados a diferentes necessidades, sem depender de longas etapas de prova.
“Se conseguirmos estabelecer esse modelo, podemos colaborar com grupos de alto nível no desenvolvimento de tecnologias emissivas mais eficientes, seria um grande passo para o Chile. Isso faria a pesquisa mais rápida, mais limpa e mais estratégica, e nos permitiria aportar desde a ciência fundamental ao desenvolvimento de novas tecnologias com aplicações reais”, conclui o académico da Usach.