Exploring nanoparticle size dependence in photothermal applications

Abstract

O papel fundamental de nanopartículas (NPs) em aplicações médicas e em tecnologias de captação de energia tem sido alvo de extensivas análises na última década. NPs com diferentes formatos podem oferecer grande absorção óptica e demonstram grande potencial nos casos em que o aquecimento fototérmico (AF) é explorado. Entretanto, restrições como tamanho e concentração, relacionadas ao uso de NPs metálicas em processos clínicos, limitam severamente a eficácia de processos térmicos. Além disso, a necessidade de escalabilidade em aplicações de conversão energética utilizando coletores solares culmina em elevados custos de operação. Dessa forma, estratégias que reduzam a quantidade de material requerida em tais aplicações é fundamental para sua implementação em ambientes reais. Nesta tese, objetivamos investigar a dependência do AF com o tamanho da NP, a fim de estabelecer uma metodologia para a identificação de NPs com tamanho otimizado, baseada na análise de figuras de mérito (Jo, S 2F e SJo). A dependência do fotoaquecimento de NPs com o tamanho da nanoestrutura foi investigada utilizando uma abordagem teórica e experimental, com uso da técnica espectroscópica de lente térmica e câmera térmica. As estratégias de otimização, empregadas para nanoesferas e nanobastões de ouro (AuNSs e AuNRs), culminaram na identificação dos tamanhos ideais de NPs, que foram posteriormente utilizadas na fotoinativação térmica (IFT) de Candida albicans, na terapia fototérmica (TFT) em camundongos e como agentes de contraste para imageamento fotoacústico através da comparação do desempenho de tamanhos ótimos e sub ótimos. Em seguida, NPs de polidopamina (PDA) foram investigadas para aquecimento solar, expandindo o escopo da otimização de nanoaquecedores para fontes de banda larga através da introdução de uma nova figura de mérito (SJo). Para AuNSs, observamos que a temperatura global se assemelha ao comportamento do Jo, com diâmetro ideal de 50 nm para AuNS. A técnica de lente térmica permitiu a estimativa da temperatura intermediária de uma única NP, que se mostrou semelhante ao comportamento de S2F, com desempenho máximo esperado para diâmetro de 80 nm. Para AuNRs, tamanhos menores são mais eficientes para conversão fototérmica, conforme indicado pelo Jo. Para AuNRs isolados, entretanto, S2F sugere que o desempenho ideal é alcançado para AuNRs de tamanho 90 × 25 e 150 × 30 nm para 808 e 1064 nm, respectivamente. A análise teórica de SJo revelou tamanho ideal de aproximadamente 180 nm para nanoesferas de polidopamina, e o experimento sugeriu que o efeito da dependência do tamanho no aumento da temperatura segue o SJo calculado, conforme inicialmente hipotetizado. Ao abordar problemas práticos, o trabalho contribui para o avanço na compreensão dos processos de otimização de NPs para diversas aplicações e permite aos pesquisadores discernirem configurações ideais que maximizam a eficiência da geração de calor e minimizam os efeitos colaterais indesejáveis.