Os diamantes representam muito mais para Abraham Wolcott do que pedras preciosas brilhantes e símbolos de status. O físico-químico da San Jose State University trabalha com nanodiamantes, que são diamantes microscópicos criados pela quebra de diamantes sintéticos maiores. Os nanodiamantes são tão pequenos que uma fileira de 8.000 deles abrangeria a largura de um fio de cabelo humano.
Um físico-químico e um grupo diversificado de seus alunos estão trabalhando em aplicações com diamantes nanoscópicos: O que um cientista como Wolcott pode realizar com joias tão minúsculas? Na verdade, bastante.
A matriz de carbono de um diamante o torna seguro para uso em células e tecidos vivos, que são principalmente carbono. Os diamantes também são quimicamente inertes, bons no transporte de calor e opticamente transparentes – o que significa que a luz passa por eles facilmente, de acordo com Wolcott. Em resumo, suas propriedades químicas os tornam valiosos para uma variedade de aplicações, desde a detecção em tempo real da síntese de proteínas até a computação quântica – enquanto Wolcott acrescenta que a tecnologia ainda está em seus estágios iniciais.
Mas há outra coisa que destaca a pesquisa de Wolcott sobre nanodiamantes: seu laboratório é único porque estudantes de graduação e mestrado da San Jose State University (SJSU) fazem a maior parte da pesquisa, uma tarefa que geralmente é reservada para pesquisadores mais experientes, como estudantes de pós-graduação, pesquisadores de pós-doutorado e técnicos de laboratório em tempo integral. “Não há grupo de pessoas mais empolgante para fazer pesquisa do que os alunos com quem tive o prazer de trabalhar na San Jose State”, diz ele.
O melhor amigo de um cientista
Apesar do que você pode ter aprendido na química do ensino médio sobre diamantes serem carbono puro, Wolcott está mais interessado no que outros elementos estão fazendo dentro e fora de seus nanodiamantes.
Ele diz que quando os átomos de nitrogênio ficam presos dentro da rede de carbono de um diamante, essa impureza cria um ponto aberto, chamado de centro de vacância de nitrogênio, onde um átomo de carbono deveria estar. Quando esse centro é atingido por luz verde, ele emite luz vermelha, e os pesquisadores podem confiar nesse brilho para rastrear os nanodiamantes à medida que se movem por um organismo, por exemplo.
Mas se eles estão fluindo pela corrente sanguínea ou por um cabo de fibra óptica, para que os diamantes façam o que você deseja, “você precisa ser capaz de controlar sua superfície”, diz Wolcott. “E é aí que meu laboratório concentra a maior parte de sua energia.”
O grupo de pesquisa de Wolcott em San Jose está trabalhando para anexar diferentes grupos químicos à superfície dos nanodiamantes. No início deste ano, eles publicaram um artigo no The Journal of Physical Chemistry Letters sobre o desenvolvimento de uma reação química estável para anexar grupos químicos contendo nitrogênio chamados aminas à superfície dos nanodiamantes, primeiro persuadindo quimicamente os átomos de bromo na superfície. As descobertas, que os pesquisadores dizem que podem ser úteis para estudar sistemas biológicos ou em sensores quânticos, também estão sendo patenteadas por suas potenciais aplicações em nanotecnologia.
Esse desenvolvimento foi o produto de muito trabalho, e Wolcott é rápido em dar crédito a alunos como Tsz “Megan” Cheung, sênior da SJSU, que está no laboratório desde seu primeiro ano. Cheung diz que inicialmente se interessou pelo laboratório de Wolcott porque ouviu que ele permitia que calouros entrassem em seu grupo – e ela realmente queria participar de um laboratório. Ao ingressar, ela assumiu que estaria lavando pratos ou reabastecendo produtos químicos, mas foi colocada para trabalhar em um projeto de pesquisa quase imediatamente. Na verdade, de acordo com seus alunos, pular em experimentos logo após a adesão é frequentemente o protocolo padrão no laboratório Wolcott.
Cheung diz que alguns dos procedimentos químicos de seu grupo podem levar até cinco dias para serem concluídos, o que representa um potencial desafio logístico, já que os alunos de graduação geralmente estão ocupados com as aulas e não devem estar no laboratório em tempo integral. No entanto, ela diz que uma comunicação clara é fundamental na equipe. Os alunos coordenam seus horários uns com os outros e trabalham na reação como uma linha de montagem de vários dias até que a reação esteja completa.
Nanodiamantes na linha de luz
Depois de tentar anexar quimicamente diferentes moléculas à superfície dos nanodiamantes, os alunos de Wolcott precisam de uma maneira de testar se suas reações foram bem-sucedidas. Para isso, eles levam seus nanodiamantes quimicamente tratados para o Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) no Laboratório Nacional de Aceleradores SLAC do Departamento de Energia.
O síncrotron atua como uma “grande fábrica para produzir intensos feixes de raios X”, diz o engenheiro Sang-Jun Lee. À medida que os elétrons passam pelo anel de armazenamento do síncrotron, ímãs superfortes fazem com que o feixe de partículas se mexa, gerando poderosos raios-X que são canalizados para estações experimentais em cada linha de luz. Na Linha de Feixe 10-1, um instrumento chamado sensor de borda de transição (TES) mede os raios X que saem da amostra experimental com uma resolução tão fina que pode revelar a estrutura eletrônica de uma substância – isto é, padrões na forma como sua os elétrons são arranjados energeticamente – diz Lee. No caso dos nanodiamantes, o TES pode detectar quais grupos químicos estão presentes na superfície do diamante.
Wolcott estava entre os primeiros usuários pilotos do TES quando foi comissionado em 2016 – era como a “versão científica do test-drive de uma Ferrari”, ele lembra – e seus alunos têm sido usuários consistentes desde então, vindo algumas vezes por ano. , diz Lee.
Para muitos dos alunos de Wolcott, até mesmo pisar no campus do SLAC é memorável. Mas eles também têm tempo prático na linha de luz.
“Não estávamos apenas acompanhando e vendo outros cientistas fazerem a química”, diz Cynthia Melendrez, recém-formada em engenharia química pela SJSU e primeira autora do último estudo do laboratório. “Foi incrível poder entrar no SSLL e realmente fazer os experimentos.”
Cheung concorda: “É difícil descrever. Você tem que estar fisicamente lá para sentir como é um laboratório nacional.”
De acordo com Lee, que trabalhou com Wolcott e seus alunos na linha de luz, aprender as cordas não é fácil para usuários iniciantes, e treinar alunos de graduação para usar a linha de luz é especialmente raro. Mas, diz Lee, os alunos de Wolcott foram capazes de fazer isso – seja escrevendo programas para executar a linha de luz automaticamente ou fazendo turnos noturnos de oito horas para maximizar o trabalho que eles podem realizar durante o tão esperado tempo de luz.
Camron Stokes, que se formou recentemente na SJSU em física, foi um dos alunos que trabalhavam no turno da noite da linha de luz. Como estudante de física, Stokes admite que estava inicialmente apreensivo em ingressar no laboratório de química de Wolcott.
Mas começar a trabalhar na SSLL foi “como um sonho tornado realidade”, diz ele. Depois de fazer um curso intensivo em solução de problemas do TES e trabalhar a noite toda para manter as coisas funcionando sem problemas, ele ainda teve a sensação mágica de estar sozinho com o TES à noite. “Senti que pertencia a mim”, lembra ele. “Foi muito legal.”
‘Você realmente tem uma chance’
Stokes credita sua confiança e senso de propriedade sobre sua pesquisa à orientação de Wolcott. “Não é apenas que a pesquisa seja boa”, diz ele. “Você realmente tem uma chance.”
Em reconhecimento ao seu trabalho com nanodiamantes, Stokes recebeu recentemente um prêmio da Divisão de Colóides e Ciência de Superfícies da American Chemical Society e fará uma palestra convidada na reunião nacional da ACS em Chicago em agosto de 2022.
Muitas pessoas assumem que os alunos de graduação não sabem o suficiente ou não têm experiência suficiente para fazer pesquisa, diz Meléndrez, que agora é associado de ciências e engenharia no LCLS do SLAC. “Mas o salto de fé que o Dr. Wolcott teve [quando eu era] um calouro foi muito legal.”
Wolcott observa que muitos alunos da SJSU são estudantes universitários de primeira geração e lidam com uma série de circunstâncias difíceis da vida enquanto continuam a sustentar suas famílias e frequentar a escola. Para muitos, o esforço de tentar manter um programa de pesquisa unificado em execução enquanto faz malabarismos com os horários de graduação e esses desafios extras pode não valer a pena.
“Você poderia ter reduzido as expectativas e assumir: ‘Sabe, vou simplificar o projeto, porque é com isso que eles podem lidar'”, diz Wolcott. “Eu consideraria isso um pensamento deficitário.”
“Fazer boa ciência – fazer ciência de verdade – com esses tipos de desafios”, diz ele, “é realmente o que o torna especial”.
O SSLL é uma instalação de usuário do DOE Office of Science.
Publicado em 06/05/2022 09h07
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