Incorporação de nanodiamantes em polímero poderá favorecer computação quântica e estudos biológicos

Texto: José Tadeu Arantes | Agência FAPESP

O centro de vacância de nitrogênio (NV, da sigla em inglês) é um defeito na estrutura cristalina do diamante no qual um átomo de nitrogênio ocupa o lugar de um átomo de carbono e uma posição adjacente da rede fica vazia. Este e outros defeitos fluorescentes em diamantes, conhecidos como centros de cor, têm atraído a atenção dos pesquisadores devido às suas propriedades quânticas. Entre elas, a emissão de fótons únicos em temperatura ambiente, com longo tempo de coerência. O amplo rol de aplicações inclui codificação e processamento de informações quânticas e marcações de células em estudos biológicos.

Como a microfabricação em diamante é tecnicamente difícil, incorporar nanodiamantes com centros de cor em estruturas previamente projetadas é uma forma de integrar esses emissores quânticos em dispositivos fotônicos. Estudo feito no Instituto de Física de São Carlos da Universidade de São Paulo (IFSC-USP) estabeleceu um método para isso. Os resultados foram divulgados no periódico Nanomaterials.

“Demonstramos um método para incorporar nanodiamantes fluorescentes em microestruturas projetadas usando polimerização por absorção de dois fótons [2PP]”, conta à Agência FAPESP Cleber Mendonça, professor titular do IFSC-USP e coordenador do estudo.

Microestruturas cilíndricas formadas por fotorresiste dopado com diferentes proporções de nanodiamantes (imagem: acervo dos pesquisadores)

“Estudamos a concentração ideal de nanodiamantes no fotorresiste [material sensível à luz usado no processo de fabricação] para obter estruturas com pelo menos um centro NV fluorescente e boa qualidade estrutural e óptica”, acrescenta.

A polimerização por absorção de dois fótons (2PP) é uma técnica que tem sido bastante utilizada pelo grupo de Mendonça para fabricar microestruturas tridimensionais. Dito de forma simplificada, trata-se de um tipo de escrita a laser na qual um feixe laser de alta intensidade é focalizado sobre uma resina polimérica ainda não solidificada. Ao percorrer a resina, a luz deixa atrás de si a microestrutura polimérica de interesse.

No caso, uma solução de nanodiamantes em água deionizada foi adicionada à mistura de monômeros que compunham o fotorresiste. E, depois de todos os procedimentos físico-químicos necessários, a amostra foi submetida a pulsos de um laser potente de titânio-safira, direcionados por aparato óptico computadorizado segundo coordenadas exatas, promovendo a microfabricação.

“Medidas de fluorescência e espectroscopia Raman foram utilizadas para confirmar a presença e a localização dos nanodiamantes. E medidas de absorbância avaliaram perdas por espalhamento em concentrações mais altas. Nossos resultados mostraram a viabilidade de fabricar microestruturas com a incorporação de nanodiamantes fluorescentes para aplicações em fotônica e tecnologia quântica”, relata Mendonça.

O trabalho em pauta faz parte do projeto de doutorado de Filipe Assis Couto, orientando de Mendonça e primeiro autor do artigo. Foi apoiado pela FAPESP por meio de cinco projetos (09/54035-4, 13/07276-1, 18/11283-7, 19/27471-0 e 20/08715-2).

O artigo Integrating Fluorescent Nanodiamonds into Polymeric Microstructures Fabricated by Two-Photon Polymerization pode ser acessado em: www.mdpi.com/2079-4991/13/18/2571.