La investigación científica y tecnológica continúa desafiando los límites de lo que es posible. Como cada año, el Premio Nobel reconoce a aquellos cuyos logros han impulsado la comprensión y la aplicación de los fundamentos de la química. En esta ocasión, uno de los avances más fascinantes y revolucionarios de las últimas décadas ha sido el desarrollo y la aplicación de los Quantum Dots o Puntos Cuánticos.

Esta innovación ha cambiado la forma en la que percibimos y utilizamos la luz y la electrónica, redefiniendo los límites de lo conocido hasta ahora. Por esa razón, Moungi Bawendi, Louis Brus y Alexei Ekimov se han hecho con el prestigioso Premio Nobel en Química de 2023 por el descubrimiento y la síntesis de puntos cuánticos, los cuales suponen un gran avance en el área de la nanotecnología.

Un vistazo a la historia

La evolución del ser humano como especie siempre ha estado acompañada de un progreso en los materiales. Desde la Edad de la Piedra hasta la actual Edad Molecular, los materiales han sido elementos fundamentales en nuestra cultura. Tanto es así, que las diferentes edades de la humanidad, estudiadas en el instituto, están nombradas según el material empleado en esa época. 

La Edad de Piedra, la Edad de Bronce, la Edad de Hierro, cientos de miles e incluso millones de años marcados por un material, hasta la Revolución Industrial que comenzó en los años sesenta del siglo XVIII proporcionando hitos en el desarrollo científico y tecnológico. 

Desde que el ser humano empezó a entender y a visualizar lo que se esconde detrás del átomo allá por finales de siglo XIX y XX, se ha ido haciendo eco una nueva tecnología invisible hasta el siglo XXI. Se empiezan a ver resultados novedosos de esta nueva era tecnológica ¿Estaremos viviendo una nueva revolución industrial? Ésta sería desde la escala nanométrica, por lo que nos costará ser conscientes de ella, ya que nos cuesta ver lo invisible. 

La revolución nanotecnológica

Bienvenidos al siglo XXI, bienvenidos a la revolución de los nanomateriales. Un nanomaterial se puede definir como aquel material que tiene al menos un 50% de partículas de entre 1 y 100 nm (1 metro = 10⁹nanómetros). También puede definirse como aquel material en el que una de sus tres dimensiones se encuentra entre 1 y 100 nm.

Existen distintos materiales empleados en la escala nanométrica; metales como el oro y la plata empleados en el diagnóstico de enfermedades tumorales. Óxidos nanométricos como el dióxido de cerio (CeO₂), debido a sus interesantes propiedades químicas, se emplea como aditivo en el diésel para almacenar oxígeno y que así exista una mejor combustión de los hidrocarburos. Especies alotrópicas (especies formadas por el mismo elemento, pero con distinta geometría y ordenamiento espacial) del carbono como los nanotubos de carbono o el grafeno se emplean en diversas aplicaciones por sus características propiedades de resistencia, fuerza, conductividad eléctrica…

Nuevos materiales NANOtecnológicos

En los últimos años están apareciendo nuevos materiales que están causando un gran interés. Tanto es así, que los científicos que han propuesto una síntesis para conseguir dichos productos han sido galardonados con el Premio Nobel en 2023. 

Estos materiales son los Quantum Dots o puntos cuánticos (PC), que deben su nombre a ínfimas dimensiones, de solo unos pocos nanómetros de ancho, concentradas prácticamente en un punto. Los PC son nanopartículas semiconductoras que brillan con un color determinado después de ser iluminadas por la luz. Este color depende del tamaño de la partícula. 

Para poder entender bien lo que son los puntos cuánticos hay que entender ciertos aspectos generales de la mecánica cuántica. Cuando se habla de la nanoescala, hay que cambiar el pensamiento clásico por un pensamiento cuántico (es normal que te cueste, no te agobies) ya que, a esta escala, la escala atómica, hay que tener en cuenta los efectos cuánticos. 

Uno de ellos es el fenómeno del efecto del confinamiento cuántico, que se observa cuando el tamaño de la partícula es demasiado pequeño para ser comparable con la longitud de onda del electrón. 

«Puede ser que te preguntes: “pero si he estado estudiando toda mi vida que el electrón es una partícula ¿qué dices de longitudes de onda?”- te respondo con premios Nobel ya que el post trata de explicar el Premio Nobel de este año. En 1906 fue otorgado dicho premio a Joseph John Thompson por descubrir el electrón como partícula del átomo y en 1937 fue otorgado a su hijo George Pget Thomson por descubrir las propiedades ondulatorias del electrón. ESTO ES LA DUALIDAD ONDA CORPÚSCULO».

La dualidad onda-corpúsculo es un principio fundamental de la mecánica cuántica que establece que las partículas subatómicas, como los electrones, pueden mostrar tanto propiedades de partícula (posición y momento) como propiedades de onda (interferencia y difracción) dependiendo de las circunstancias.

Al disminuir el tamaño de una partícula a escala nanométrica, disminuye el confinamiento cuántico, provocando que los niveles de energía estén cuantizados, aumentando así la distancia entre las bandas energéticas de un átomo. La consecuencia de todo esto es que, cuando un haz de luz incide a un nanomaterial semiconductor (como son los quantum dots), con una longitud de onda dada, puede excitar los electrones de la banda de valencia (los electrones del último nivel energético) hacia niveles superiores de la banda de conducción, atravesando el ancho de banda.

En estos niveles los electrones pueden moverse libremente pudiendo conducir la electricidad. Cuando estos electrones regresan a la capa de valencia emiten luz. El color de esa luz dependerá de la diferencia de energía entre la banda de conducción y la banda de valencia de dicho átomo.

Puntos cuánticos

Ahora que ya tenemos el contexto, ¿qué son los puntos cuánticos? Los puntos cuánticos, conocidos también como átomos artificiales debido a la igualdad de electrones y átomos que poseen, consisten en minúsculas partículas semiconductoras fluorescentes con un diámetro que oscila entre 2 y 10 nm. Se componen de un núcleo central encerrado por una capa exterior de otro material semiconductor. Según el tamaño del PC se puede controlar el color; así, los más grandes producen longitudes de onda más largas, frecuencias más bajas (la diferencia entre las bandas de energía es menor) y, por lo tanto, luz roja. Al disminuir el PC las longitudes de onda son más cortas, frecuencias más grandes (mayor valor de energía entre las distintas bandas) y luz más azul. 

El nombre «puntos cuánticos» alude a su característica de confinamiento cuántico y sus notables propiedades ópticas, que los hacen idóneos para diversas aplicaciones en biología e imágenes. Los puntos cuánticos tienen un gran potencial en áreas como la obtención de imágenes, detección, seguimiento y monitorización en tiempo real. Su capa semiconductora exterior está compuesta generalmente de materiales inorgánicos pesados como cadmio (Cd), selenio (Se), óxido de zinc (ZnO) o sílice, entre otros.

Estos materiales están recubiertos con una capa adicional que facilita la conjugación y reduce su toxicidad, proporcionando así sitios específicos para diversas aplicaciones en diversos campos. La elección de puntos cuánticos se basa en su idoneidad para la tarea a realizar en cada caso.

Aplicaciones de los puntos cuánticos

Ahora que ya hemos repasado los fundamentos teóricos de los PC, es hora de adentrarnos en su emocionante mundo de aplicaciones. Estas diminutas partículas semiconductoras han transformado la electrónica, la medicina y la visualización, ofreciendo soluciones innovadoras en diversas disciplinas.

Imágenes biomédicas: Los PC son utilizados en imágenes biomédicas para etiquetar y rastrear células y proteínas en el seguimiento de procesos biológicos.

Aplicaciones en pantallas: los PC se emplean en pantallas de televisión, monitores y móviles para mejorar la calidad de imagen y la reproducción de colores. Su capacidad para generar colores intensos y precisos los hace ideales para tecnologías como la retroiluminación de puntos cuánticos.

Energía Solar: Los PC pueden mejorar la eficiencia de las células solares al permitir una mejor captación de la luz solar y la conversión de energía. Por ejemplo, la aplicación de los PC de carbono en fotocatálisis y conversión de energía solar se debe a su capacidad para sensibilizar, actuar como sumidero de electrones, suprimir la recombinación de pares de electrones y huecos, generar pares de electrones y huecos y una amplia absorción espectral de la luz solar.

Sensores y Detectores: Los PC también se utilizan en la fabricación de sensores y detectores de alta sensibilidad.  Los sensores y biosensores basados en PC de carbono funcionan con distintos mecanismos, como el quenching de fluorescencia, el quenching estático, el quenching dinámico, la transferencia de electrones fotoinducida (PET) y la transferencia de energía por resonancia de fluorescencia (FRET).

Conclusión

Como habéis visto, los puntos cuánticos son una revolución en el campo de la nanotecnología y la física cuántica, con una amplia variedad de aplicaciones prometedoras que van desde pantallas en dispositivos electrónicos hasta la detección de enfermedades en medicina. Estas diminutas estructuras semiconductoras demuestran cómo los principios de la mecánica cuántica pueden ser aprovechados para revolucionar la tecnología. Sin embargo, es importante destacar que para alcanzar estos avances se requiere de un enfoque interdisciplinario. La colaboración entre científicos de diversas disciplinas, como la física, la química, la ingeniería y la biología, es esencial para el progreso de la sociedad.

Biografía

Moungi G. Bawendi (62 años) químico estadounidense, tunecino y francés, es actualmente profesor Lester Wolfe en el Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT). Su trabajo se centra en la síntesis de nanocristales y heteroestructuras, así como en el desarrollo de ligandos para su integración en dispositivos y sistemas biológicos. Además, investigan las propiedades de transporte de carga en películas de puntos y colaboran en el diseño de sondas de nanocristales para aplicaciones biológicas, como la detección de receptores celulares y la formación de imágenes moleculares in vivo.

Imagen extraída de: Moungi Bawendi. (2023, October 6). In Wikipedia. https://en.wikipedia.org/wiki/Moungi_Bawendi

Alexey Ekimov (78 años) físico ruso, científico en Nanocrystals Technology en Nueva York. Descubrió los nanocristales semiconductores, comúnmente referidos como puntos cuánticos, mientras trabajaba en el Instituto Estatal Óptico Vavilov, en San Petersburgo.

Imagen extraída de: https://nexdot.fr/en/history-of-quantum-dots/

Bibliografía

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Artículo escrito en colaboración con Vanessa Redondo.