CIENCIA. Nanopartículas de 'puntos cuánticos' ganan el Nobel de Química

Nanopartículas de 'puntos cuánticos' ganan el Nobel de Química, quantum dots

 

El anuncio formal de los ganadores se produjo tras una filtración ese mismo día. Fuente: Jonathan Nackstrand/AFP vía Getty

Moungi Bawendi, Louis Brus y Alexei Ekimov reciben el premio por su trabajo sobre nanopartículas brillantes que se utilizan en campos que van desde la electrónica hasta la cirugía.

04 octubre 2023.- Tres químicos que predijeron y fueron los primeros en crear puntos cuánticos (cristales a nanoescala que interactúan con la luz de maneras inusuales) recibieron el Premio Nobel de Química.

Es un resultado sorprendente para la comunidad de puntos cuánticos. Los marcos teóricos proporcionados por Brus y Ekimov se hicieron realidad con el artículo fundamental de Bawendi en 1993, del que surgió esta ciencia ahora madura.

Los puntos cuánticos son cristales semiconductores que constan de unos pocos miles de átomos y que tienen algunas propiedades de los átomos individuales. Esto les permite sintonizarse para que puedan emitir longitudes de onda de luz específicas. Los puntos cuánticos muy pequeños de seleniuro de cadmio, por ejemplo, pueden emitir luz azul, pero cristales más grandes del mismo compuesto emiten luz roja. Los puntos cuánticos se utilizan en aplicaciones que necesitan longitudes de onda de luz específicas, desde brillantes pantallas de televisión hasta imágenes biológicas.

Uniendo los puntos

Ekimov fue el primero en informar sobre la observación de efectos de luz dependientes del tamaño, en vidrio coloreado dopado con partículas de cloruro de cobre, en 1981 1 . Dos años más tarde, Brus describió la fabricación de puntos cuánticos en una solución, mientras observaba partículas semiconductoras para aplicaciones de energía solar 2 . Fue Brus quien estableció el vínculo entre los semiconductores y el tamaño de las partículas, pero habría seguido siendo un sistema de materiales relativamente inaccesible y poco desarrollado hasta que Bawendi desarrolló la química.

Bawendi descubrió una manera de crear puntos cuánticos de tamaños específicos, combinando técnicas inorgánicas y organometálicas para un control preciso 3 . El método consistía en inyectar los ingredientes químicos en un disolvente caliente hasta que se saturara, lo que provocaba la formación repentina de cristales. Cuando la mezcla se retiró del fuego, el crecimiento de los cristales se ralentizó. Los puntos resultantes eran todos del mismo tamaño y calidad.

Matraces de laboratorio en una habitación oscura, el contenido brillando en rojo, naranja, verde y dos tonos de azul.

El comité del Nobel demostró las propiedades ópticas de los puntos cuánticos utilizando matraces que contienen partículas de varios tamaños bajo luz ultravioleta. Fuente: Jonathan Nackstrand/AFP vía Getty

Los efectos cuánticos que dan nombre a las partículas provienen de cómo los electrones y sus niveles de energía cuántica cambian cuando las partículas se hacen cada vez más pequeñas. A medida que los puntos cuánticos alcanzan la nanoescala, los electrones comienzan a quedar confinados por el tamaño de su entorno. Una vez que ese tamaño se vuelve más pequeño que el volumen natural en el que puede moverse un electrón, los electrones responden cambiando sus niveles de energía. Esto, a su vez, cambia la forma en que esos sistemas interactúan con la luz.

Hito de la nanotecnología

Durante mucho tiempo, nadie pensó que alguna vez se podrían producir partículas tan pequeñas. Pero los ganadores de este año lo lograron. Este logro representa un hito importante en la nanotecnología. Los puntos cuánticos se han vuelto populares y se utilizan en pantallas de televisión en una industria multimillonaria. 

Ahora que producir puntos cuánticos se ha convertido en un proceso químico bastante sencillo, pueden encontrar más aplicaciones. Ser capaz de ajustar cómo interactúa una partícula con la luz podría ayudar a los ingenieros a desarrollar detectores y sensores ópticos de bajo costo, un componente importante del transporte autónomo, por ejemplo. También es posible integrar puntos cuánticos en materiales con formas, texturas y densidades únicas.

Se ha adoptado un concepto similar como plataforma para la computación cuántica , cuyo objetivo es aprovechar los fenómenos cuánticos para realizar cálculos que serían imposibles con una computadora común. Los investigadores pueden fabricar dispositivos con las propiedades de puntos cuánticos en un chip de silicio y luego manipular el giro de los electrones individuales atrapados en ellos. Ambos tipos de puntos cuánticos son pequeños, y el confinamiento de los electrones en los puntos cuánticos conduce a orbitales cuantificados, como en los átomos.

Referencias

  1. 1. Ekimov, A. I. & Onushchenko, A. A. JETP Lett. 34, 345–349 (1981).

  2. 2. Rossetti, R. & Brus, L. J. Phys. Chem. 86, 4470–4472. (1982). Artículo  

  3. 3. Murray, C. B., Norris, D. J. & Bawendi, M. G. J. Am. Chem. Soc. 115, 8706–8715 (1993). Artículo

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