Los puntos cuánticos tienen muchas aplicaciones prácticas.
Algunos los llaman “átomos artificiales”.
Los puntos cuánticos son los componentes más pequeños de la nanotecnología, extremadamente pequeños, apenas unas millonésimas de milímetro.
Son estructuras artificiales creadas en laboratorio a partir de materiales semiconductores, que también se conocen como nanocristales. Su tamaño es tan pequeño que sus cualidades están determinadas por fenómenos de naturaleza cuántica.
Tener propiedades ópticas y electrónicas únicas, incluida la capacidad de transportar electrones y emitir luces de diferentes colores cuando se estimula con luz o electricidad. Los más pequeños son azules y los más grandes son amarillos y rojos.
Su descubrimiento y síntesis han sido reconocidos con la pPremio Nobel de Química 2023que ha premiado a Moungi Bawendi, Louis Brus y Alexei Ekimov por su trabajo en este campo.
Las peculiares propiedades de estos nanocristales tienen Productos comerciales revolucionados como pantallas de televisión o lámparas LED, y se utilizan en numerosas disciplinas científicas, como la física, la química o la medicina, donde se empiezan a utilizar en el tratamiento experimental del cáncer.
Estas diminutas estructuras “son capaces de confinar electrones en regiones de tamaños diminutos, miles de veces más pequeños que el grosor de un cabello humano”, explica David Sánchez, investigador del Instituto de Física Interdisciplinar y Sistemas Complejos (IFISC-CSIC-UIB). , con sede en Palma de Mallorca, España.
En la naturaleza, los electrones están confinados dentro de los átomos, pero manipularlos es difícil y costoso. “Gracias a los puntos cuánticos, Se pueden atrapar electrones para facilitar mucho su estudio. De ahí que a los puntos cuánticos se les llame ‘átomos artificiales’”, afirma Sánchez, citado por Science Media Center España (SMC).
Moungi Bawendi, Louis Brus y Alexei Ekimov, ganadores del Premio Nobel de Química 2023.
Como fueron descubiertos
Los físicos sabían desde hacía tiempo que, en teoría, las nanopartículas podían tener efectos cuánticos dependientes del tamaño, pero era casi imposible esculpir partículas tan pequeñas, por lo que pocos pensaban que este conocimiento pudiera tener aplicaciones prácticas.
En 1937, el físico Herbert Fröhlich ya había predicho que las nanopartículas no se comportarían como otras partículas, pero lo harían diferente. De esta manera, exploró las consecuencias teóricas de la famosa Ecuación de Schrödinger, que establece que cuando las partículas se vuelven extremadamente pequeñas, hay menos espacio para los electrones del material, por lo que se comprimen entre sí.
Frölich concluyó que el resultado sería un cambio drástico en las propiedades del material.
Es lo que se conoce como “efectos cuánticos”, que Ponen a prueba nuestra intuición.
Ponerlo en práctica, sin embargo, no fue fácil porque, para demostrarlo, había que crear una estructura un millón de veces más pequeña que la cabeza de un alfiler.
“Durante mucho tiempo nadie creyó que se pudieran crear partículas tan pequeñas”, pero los ganadores de este año han hecho precisamente eso, afirmó la Real Academia Sueca de Ciencias al anunciar el premio.
El fisico Alexei I. Ekimov (Unión Soviética, 1945) fue el primero en observar puntos cuánticos en 1981 en cristales.
Trabajó con vidrio teñido con cloruro de cobre y sometido a diferentes temperaturas, lo que producía diminutos cristales en su interior.
Ekimov se dio cuenta de que la absorción de luz del cristal estaba afectada por el tamaño de esas partículas, esos nanocristales que se habían formado. Los más grandes absorbían la luz de la misma forma que suele hacerlo el cloruro de cobre. Sin embargo, cuanto más pequeñas son las partículas, más azul es la luz que absorben.
El físico, que trabaja en la empresa estadounidense Nanocrystals Technology, supo entonces que estaba observando un efecto cuántico que depende del tamaño.
El secretario general de la Real Academia Sueca de Ciencias, Hans Ellegren, ha destacado el trabajo de los científicos premiados para descubrir y sintetizar puntos cuánticos.
Años después, el químico estadounidense Louis E. Brus (1943)de la Universidad de Columbia, logró demostrar que estos efectos cuánticos dependientes del tamaño también se observaban en partículas que flotaban libremente en un líquido.
Brun estaba trabajando con nanopartículas de sulfuro de cadmio cuando observó que las partículas más grandes absorbían luz en la misma longitud de onda que normalmente lo hace el sulfuro de cadmio, pero que cuanto más pequeñas eran estas partículas, la absorción cambiaba hacia el azul.
Para comprender la magnitud de estos descubrimientos, la Academia Sueca de Ciencias sugiere imaginar que La tabla periódica habría adquirido repentinamente una tercera dimensión.
“Las propiedades de un elemento no sólo se ven afectadas por el número de capas de electrones y cuántos electrones hay en la capa más externa sino que, a nivel nano, el tamaño también importa. “Un químico que quisiera desarrollar un nuevo material tendría entonces otro factor con el que jugar, lo que por supuesto estimuló la imaginación de los investigadores”. Escribió la institución en un comunicado sobre el premio.
El trabajo de Ekimov y Brun fue completado en 1993 por el químico francés Moungi Bawendi (París, 1961).
Hasta entonces, los métodos utilizados para fabricar las nanopartículas habían producido resultados de calidad impredecible. Pero ese año, el equipo de Bawendi en el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) logró inyectar las diferentes sustancias que formarían los nanocristales en un disolvente calefactor. Cuando el disolvente se saturó, los pequeños cristales comenzaron a formarse simultáneamente.
Los televisores que utilizan tecnología QLED son sólo una de las aplicaciones prácticas de los puntos cuánticos.
El equipo logró crear nanocristales de un tamaño específico variando la temperatura de la solución, consiguiendo cristales “casi perfectos”, como destaca la Academia Sueca.
Múltiples aplicaciones
De este modo, los puntos cuánticos tienen multitud de aplicaciones prácticas, tanto presentes como futuras.
“Los investigadores creen que en el futuro podrían contribuir a la electrónica flexible, (para crear) sensores diminutos, células solares más delgadas y comunicación cuántica cifrada, por lo que acabamos de comenzar a explorar el potencial de estas partículas diminutas”, dijo la Real Academia Sueca.
“Los puntos cuánticos aportan así un gran beneficio a la humanidad”añadió la institución que otorga el Nobel.
Hoy han dado forma a productos comerciales que muchas personas tienen en sus hogares.
“Se pueden utilizar en la preparación de paneles solares, en sistemas de iluminación de pantallas y televisores basados en tecnología QLED y, por supuesto, en biomedicina, ya que Permiten obtener imágenes a nivel intracelular que pueden ser de gran utilidad en el diagnóstico y tratamiento de enfermedades como el cáncer.“dice María José Ruedas Llama, profesora del Departamento de Química Física de la Facultad de Farmacia de la Universidad de Granada, citada por SMC.
El premio también “refuerza la idea de que no hay aplicaciones tecnológicas sin investigación fundamental”, afirmó Emilio Palomares, director del Instituto Catalán de Investigaciones Químicas (ICiQ), citado por la misma cadena.
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