Premio Nobel honra a los inventores de las nanopartículas 'Quantum Dot' | Revista Quanta

Imaginemos un nanocristal tan minúsculo que se comporta como un átomo. Moungi G. Bawendi, Luis E. Brus y Alexéi I. Ekimov han recibido el Premio Nobel de Química 2023 por descubrir una categoría de maravillas tan diminutas, ahora conocidas como puntos cuánticos, y por desarrollar un método preciso para sintetizarlas. Los puntos cuánticos ya están desempeñando papeles importantes en la electrónica y la biomedicina, como en la administración de fármacos, imágenes y diagnósticos médicos, y tienen aplicaciones más prometedoras en el futuro, dijo el Comité Nobel de Química en su anuncio del premio.

Los puntos cuánticos, a veces llamados átomos artificiales, son nanocristales precisos hechos de silicio y otros materiales semiconductores que tienen sólo unos pocos nanómetros de ancho, lo suficientemente pequeños como para exhibir propiedades cuánticas tal como lo hacen los átomos individuales, aunque tienen un tamaño de entre cien y algunos miles de átomos. . Debido a que los electrones pueden quedar atrapados en ciertos niveles de energía dentro de ellos, los nanocristales sólo pueden emitir ciertas longitudes de onda de luz. Al controlar el tamaño de las partículas, los investigadores pueden programar con precisión de qué color parpadearán los puntos cuánticos cuando se estimulen.

En el escenario en el anuncio del Premio Nobel esta mañana, johan aqvist, presidente del Comité Nobel de Química, mostró una serie de cinco frascos, cada uno de los cuales contenía un líquido que brillaba con un color diferente. Los fluidos contenían soluciones líquidas de puntos cuánticos de sólo unas pocas millonésimas de milímetro de tamaño. En este tamaño tan pequeño, “la mecánica cuántica comienza a jugar todo tipo de trucos”, dijo Åqvist.

La mecánica cuántica predice que si tomas un electrón y lo comprimes en un espacio pequeño, la función de onda del electrón se comprime, explicó. Heiner Linke, miembro del Comité Nobel de Química y profesor de nanofísica. Cuanto más pequeño sea el espacio, mayor será la energía del electrón, lo que significa que puede darle más energía a un fotón. En esencia, el tamaño de un punto cuántico determina de qué color brilla. Las partículas más pequeñas brillan en azul, mientras que las más grandes brillan en amarillo y rojo.

En la década de 1970, los físicos sabían que los fenómenos cuánticos deberían, en teoría, estar asociados con partículas de tamaño extremadamente pequeño, tal como lo estaban con las películas ultrafinas, pero esa predicción parecía imposible de comprobar: no parecía haber una buena manera de producir y manipular partículas excepto dentro de otros materiales que enmascararían sus propiedades. Sin embargo, en 1981, en el Instituto Óptico Estatal SI Vavilov en la Unión Soviética, Ekimov cambió eso. Mientras agregaba compuestos de cobre y cloro a un vaso, descubrió que el color del vidrio dependía completamente del tamaño de las partículas añadidas. Rápidamente reconoció que los efectos cuánticos eran la explicación más probable.

En 1983, en los Laboratorios Bell, Brus estaba realizando experimentos sobre el uso de la luz para impulsar reacciones químicas. Brus (ahora en la Universidad de Columbia) notó que el tamaño de las nanopartículas también afectaba sus propiedades ópticas incluso cuando flotaban libremente en una solución líquida. "Esto despertó mucho interés", dijo Linke.

La posible utilidad optoelectrónica de tales partículas no pasó desapercibida para los tecnólogos, que siguieron el ejemplo de mark Reed de la Universidad de Yale al referirse a ellos como puntos cuánticos. Pero durante la siguiente década, los investigadores lucharon por controlar con precisión el tamaño y la calidad de estas partículas.

Sin embargo, en 1993, Bawendi inventó un “método químico ingenioso” para producir nanopartículas perfectas, dijo Åqvist. Pudo controlar el momento exacto en el que se formaron los cristales, y luego pudo detener y reiniciar un mayor crecimiento de manera controlada. Su descubrimiento hizo que los puntos cuánticos fueran ampliamente útiles en una variedad de aplicaciones.

Las aplicaciones de estas nanopartículas van desde pantallas LED y células solares hasta imágenes en bioquímica y medicina. "Estos logros representan un hito importante en la nanotecnología", afirmó Åqvist.

¿Qué son los puntos cuánticos?

Son nanopartículas creadas por el hombre tan pequeñas que sus propiedades se rigen por la mecánica cuántica. Esas propiedades incluyen la emisión de luz: la longitud de onda de la luz que emiten depende únicamente del tamaño de las partículas. Los electrones de las partículas más grandes tienen menos energía y emiten luz roja, mientras que los electrones de las partículas más pequeñas tienen más energía y emiten luz azul.

Los investigadores pueden determinar con precisión qué color de luz emergerá de los puntos cuánticos simplemente regulando su tamaño. Esto ofrece una gran ventaja sobre el uso de otros tipos de moléculas fluorescentes, para las cuales se necesita un nuevo tipo de molécula para cada color distinto.

Esta ventaja en controlabilidad no se limita al color de los puntos cuánticos. Al ajustar el tamaño de las nanopartículas, los investigadores también pueden ajustar sus efectos eléctricos, ópticos y magnéticos, así como propiedades físicas como su punto de fusión o cómo influyen en las reacciones químicas.

¿Cómo hizo que el trabajo de Bawendi hiciera prácticos los puntos cuánticos?

En 1993, Bawendi y su equipo del Instituto Tecnológico de Massachusetts desarrollaron un método para producir puntos cuánticos con mayor precisión y calidad que antes. Encontraron una manera de hacer crecer los nanocristales en un instante inyectando sus precursores químicos en un disolvente extremadamente caliente. Luego, los investigadores detuvieron inmediatamente el crecimiento de los cristales reduciendo la temperatura del disolvente, creando "semillas" cristalinas infinitesimales. Al recalentar lentamente la solución, podrían regular un mayor crecimiento de los nanocristales. Su método produjo cristales del tamaño deseado de forma reproducible y era adaptable a diferentes sistemas.

¿Dónde se utilizan los puntos cuánticos?

Si alguna vez ha visto programas en un televisor QLED, habrá visto estas nanopartículas en juego. Pero también se están utilizando en iluminación y obtención de imágenes biomédicas. Los investigadores todavía están explorando aplicaciones adicionales para estas nanopartículas en computación y comunicaciones cuánticas, electrónica flexible, sensores, células solares eficientes y catálisis de combustibles solares.