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El Premio Nobel de Química de 2023 reconoce el descubrimiento y la síntesis de cristales semiconductores de tamaño nanométrico, cuyas propiedades están determinadas por efectos de tamaño cuántico. Estas nanopartículas, conocidas como puntos cuánticos (quantum dots), son tan pequeñas que su tamaño físico determina los estados mecánicos cuánticos de los portadores de carga del material.
¿Qué es un punto cuántico?
Los puntos cuánticos constituyen una nueva clase de materiales que no son ni moleculares ni a granel. Tienen la misma estructura y composición atómica que los materiales a granel, pero sus propiedades pueden ajustarse utilizando un solo parámetro, el tamaño de las partículas.
Por ejemplo, la absorción y emisión ópticas de los puntos cuánticos de CdSe pueden ajustarse a lo largo de casi todo el espectro visible del espectro óptico. Esto es posible porque la brecha de energía del nivel fundamental de los puntos cuánticos de CdSe varía entre 1.8 eV (su valor a granel) a 3 eV (en los puntos cuánticos más pequeños). Otras propiedades de los materiales que son ajustables según el tamaño de los puntos cuánticos incluyen potenciales redox, temperatura de fusión y transiciones de fase sólida-sólida, por nombrar solo algunas.
El descubrimiento de los puntos cuánticos y la capacidad de sintetizar tales materiales con alta precisión, pero mediante métodos químicos relativamente simples fue un paso importante en el desarrollo de la nanociencia y la nanotecnología. El principio fundamental de la nanociencia es que, a la escala de los nanómetros, los materiales y las partículas adquieren propiedades nuevas y dependientes del tamaño que pueden ser aprovechadas y controladas para aplicaciones novedosas. Las herramientas de la química son un habilitador indispensable de la nanotecnología, con aplicaciones en áreas tan diversas como la biotecnología, la catálisis, la detección, los diagnósticos médicos, la electrónica, la fotónica y la tecnología cuántica.
Hoy en día, es posible producir puntos cuánticos con propiedades altamente controladas y dependientes del tamaño utilizando químicas en lotes en fase de solución relativamente económicas, lo que hace que estos materiales revolucionarios estén ampliamente disponibles. Con un tamaño de mercado total estimado de 4 mil millones de dólares en 2021, los puntos cuánticos se utilizan como emisores de luz de alta calidad en iluminación y tecnología de visualización, además de su uso en la imagen médica. La investigación continua en nanotecnología también explora aplicaciones de puntos cuánticos en la fotodetección infrarroja, la conversión de energía solar, los diodos emisores de luz, diagnósticos y la fotocatálisis.
Historia de los efectos cuánticos
El concepto teórico básico que subyace a los puntos cuánticos se denomina «problema de la ‘partícula-en-una-caja’ (particle-in-a-box). Cuando una partícula cuántica, como un electrón, se encuentra confinada dentro de una ‘caja’ con un tamaño L comparable a la longitud de onda de de Broglie de la partícula, las energías de los estados permitidos de la función de onda dependen críticamente de L, y la separación de energía ∆E escala como 1/L2. Este concepto ha sido material de libro de texto desde los primeros días de la mecánica cuántica.
Conceptos relacionados con la función de onda son fundamentales para nuestra comprensión de la estructura electrónica de las moléculas y materiales cristalinos, la dispersión de las bandas de energía, la formación de brechas de banda y el origen de las propiedades metálicas, semiconductoras o aislantes en materiales a granel.
Primeros indicios
La idea de que las propiedades de los materiales pueden depender de las dimensiones macroscópicas de una pequeña partícula fue pionera en 1937 por Herbert Fröhlich. Señaló que el modelo de gas de electrones libres para los metales proporciona resultados muy diferentes para partículas pequeñas en comparación con los metales a granel, y que estas diferencias deberían manifestarse en una propiedad material mensurable, es decir, el calor específico de los electrones. Estimó que la observación de este efecto requeriría partículas de metal más pequeñas que 10 nm y temperaturas del orden de unos pocos grados Kelvin.
En las décadas siguientes, varios investigadores presentaron estudios teóricos adicionales de tales efectos cuánticos de tamaño. Por ejemplo, basándose en el trabajo anterior de Landau y siguiendo observaciones experimentales de oscilaciones de propiedades de materiales en función del campo magnético, Lifshitz y Kosevich predijeron una periodicidad del potencial termodinámico debido a los efectos cuánticos de tamaño. Kubo predijo un efecto cuántico de tamaño en la capacidad calorífica electrónica, así como en procesos de cambio de espín en metales, y propuso observar tales efectos mediante experimentos de resonancia de espín a bajas temperaturas.
Sandomirskii señaló que los efectos cuánticos de tamaño deberían ser más fáciles de observar en semiconductores en comparación con los metales, debido a la menor masa efectiva de electrones y, por lo tanto, a una mayor longitud de onda de de Broglie en semiconductores. Se predijo que los efectos cuánticos de tamaño se manifestarían como un aumento efectivo de la brecha de banda del semiconductor a medida que se reduce el tamaño de la partícula, observable como un desplazamiento del borde de absorción óptica. También se predijo que causarían un desplazamiento del borde de la banda de conducción y el borde de la banda de valencia en semimetales, induciendo una transición de propiedades metálicas a semiconductores que debería ser observable en las características ópticas.
Microelectronica
Durante la década de 1960, el desarrollo de la microelectrónica estimuló un fuerte interés en las propiedades electrónicas de las películas delgadas. En experimentos realizados en capas delgadas de bismuto, así como en gases electrónicos bidimensionales formados en superficies de silicio, los efectos cuánticos se manifestaron como oscilaciones de la resistividad, la resistencia Hall y la magnetorresistencia en función del espesor de la película.
La periodicidad de las oscilaciones observadas coincidía con la longitud de onda electrónica con la masa efectiva esperada. Se estableció que los requisitos previos para la capacidad de resolver energéticamente los efectos de cuantización son bajas temperaturas y tiempos de relajación de portadores suficientemente largos. También se reconoció que se requerían materiales de alta calidad porque la longitud libre media de los portadores debía superar el espesor d de la película. Se observó una dependencia sistemática de 1/d2 en la absorción óptica en películas de CdS y se comparó con predicciones teóricas.
Un avance cualitativo ocurrió cuando el desarrollo de la epitaxia por haces moleculares (MBE) en ultraalto vacío, utilizado en combinación con la espectrometría de masas, permitió la deposición de películas delgadas semiconductoras de alta calidad con un control preciso del grosor y la composición.
Esto hizo posible resolver ópticamente múltiples estados cuánticos en pozos cuánticos de GaAs delgados (<5 nm) formados entre capas de AlGaAs, después de la eliminación selectiva por grabado químico del sustrato de GaAs. Estas observaciones recibieron mucha atención en la comunidad de la física de semiconductores porque anteriormente se consideraba imposible hacer heteroestructuras con la calidad suficiente para observar fenómenos cuánticos de manera tan clara.
Cuántica en películas delgadas
A principios de la década de 1980, la observación experimental de fenómenos cuánticos en películas delgadas estaba bien establecida. También se había desarrollado una comprensión teórica, incluido el papel de la interacción de Coulomb (efectos excitónicos) que se vuelven particularmente pronunciados en estructuras de baja dimensionalidad como pozos cuánticos, donde las funciones de onda de electrones y huecos tienen más probabilidad de superponerse. Las heteroestructuras de semiconductores demostraron ser sistemas de materiales muy útiles para la alta velocidad y la optoelectrónica, como reconocieron los premios Nobel de Física en 2000 a H. Kroemer y Z. I. Alferov.
Sin embargo, las observaciones anteriores se referían a efectos de tamaño cuántico en estructuras incrustadas dentro o en la parte superior de materiales a granel, que no podían considerarse materiales en sí mismos. Las predicciones pioneras de Fröhlich, de que las partículas pequeñas deberían tener propiedades de materiales dependientes del tamaño, aún no estaban disponibles para su prueba experimental.
Efecto cuántico y vidrio
El primer descubrimiento de efectos de tamaño cuántico en nanopartículas se hizo en el contexto del vidrio coloreado. Históricamente, los fabricantes de vidrio sabían muy bien que dopantes como el oro, la plata, el cadmio, el azufre y el selenio podían usarse para cambiar las propiedades ópticas del vidrio. Por ejemplo, se producían filtros ópticos con diferentes frecuencias de corte, llamados vidrios Schott, controlando el tipo y la cantidad de dopante, así como los detalles del proceso térmico después de la fusión del vidrio. También se entendía que las propiedades del vidrio estaban relacionadas con la inclusión de «partículas coloidales» en el vidrio, pero los detalles del mecanismo no se habían investigado.
En 1979, Alexei Ekimov comenzó a trabajar en vidrios dopados en el Instituto Estatal Óptico S.I. Vavilov. Su objetivo era comprender la composición química y la estructura de las partículas coloidales en vidrios coloreados, así como el mecanismo de su crecimiento. Utilizando técnicas familiares de su formación de doctorado en física de semiconductores, él y sus colaboradores midieron el espectro de absorción óptica de vidrios de silicato tratados térmicamente con adiciones de Cu y Cl del orden de unos pocos por ciento, por encima del límite de solubilidad de la matriz. A una temperatura criogénica de 4.2 K, el equipo encontró líneas de excitones similares a las observadas en películas delgadas de CuCl, pero cuyas formas variaban con los detalles del tratamiento térmico. Los investigadores atribuyeron esta observación a la formación de una fase cristalina de CuCl en la matriz de vidrio como resultado de la descomposición de fase de una solución sobresaturada durante el tratamiento térmico.
Además, al variar la temperatura y la duración del tratamiento térmico, pudieron controlar el tamaño promedio de los cristales de CuCl que se formaban en el vidrio fundido. Utilizando la dispersión de rayos X a ángulos pequeños, determinaron tamaños promedio de cristales en el rango desde unos pocos nanómetros hasta decenas de nanómetros y confirmaron que el tamaño de los cristales variaba con el tiempo de tratamiento térmico, como se esperaba según un modelo teórico de crecimiento por recondensación que también predecía la estrecha distribución de tamaños observada.
Crucialmente, la longitud de onda de las líneas de absorción de excitones de CuCl observadas variaba sistemáticamente con el tamaño de las nanocristales: la posición de la línea de absorción se desplazaba hacia el azul a medida que los cristales eran más pequeños, llegando a nanocristales de tan solo unos pocos nanómetros. Ekimov atribuyó de inmediato esta observación a efectos de tamaño cuántico, haciendo referencia a la observación de efectos de tamaño cuántico en pozos cuánticos bidimensionales cultivados por MBE unos años antes.
Como se esperaba cualitativamente según la mecánica cuántica clásica para una sola partícula confinada en un pozo infinito esférico, la línea de absorción se desplazó inversamente al cuadrado del radio promedio de la partícula (a). Se habían descubierto los puntos cuánticos semiconductores. Para lograr un acuerdo cuantitativo entre los datos y la teoría, se necesitaron dos correcciones al modelo de libro de texto. La primera fue incluir la interacción atractiva de Coulomb entre electrón y hueco, el llamado efecto excitón, que se sabe que es fuerte cuando el electrón y el hueco están confinados en el mismo espacio.
La observación inicial de los efectos de tamaño cuántico por parte de Ekimov se determinó que estaba en el denominado régimen de confinamiento débil, caracterizado por efectos de tamaño cuántico del excitón en su conjunto, pero no de los electrones y huecos individualmente. Posteriormente, también se demostraron los regímenes de confinamiento intermedio y fuerte.
El descubrimiento de los puntos cuánticos semiconductores por parte de Ekimov en una matriz de vidrio mostró que era posible observar firmas profundas de efectos de tamaño cuántico no solo en películas delgadas, sino también en nanopartículas suspendidas e independientes producidas mediante un proceso de vidrio tradicional relativamente simple. Sin embargo, una limitación del descubrimiento innovador de Ekimov fue que los puntos cuánticos de su equipo estaban «congelados» en vidrio y no eran adecuados para un procesamiento adicional.
Puntos cuánticos coloidales
Poco tiempo después de los descubrimientos de Ekimov, surgió un enfoque para sintetizar puntos cuánticos como coloides en un proceso sol-gel, lo que los hacía adecuados para un procesamiento adicional.
Durante la década de 1970, hubo un interés significativo en el uso de semiconductores para la fotoelectroquímica, con la expectativa de que la excitación óptica del semiconductor crearía portadores de carga reactivos que podrían impulsar reacciones químicas. De particular interés era la posibilidad de controlar las propiedades eléctricas y ópticas de los semiconductores mediante la dopación. La investigación se centraba en la fotofísica y la química redox superficial de electrones y huecos, en la conversión de energía solar mediante fotoelectrólisis y en la fotovoltaica en la interfaz entre el semiconductor y el electrolito.
Varios grupos trabajaron en cristales coloidales de CdS, ZnO y TiO2 porque los niveles de energía en estos materiales eran potencialmente adecuados para la fotocatálisis. Por ejemplo, se descubrió que el TiO2 en polvo suspendido en líquido fotocatalizaba la descomposición del ácido acético para producir metano, y los microelectrodos de CdS preparados en presencia de un copolímero cargado con RuO2 y Pt resultaron ser catalizadores activos para la ruptura de H2O y H2S.
La evidencia de efectos de tamaño cuántico en nanopartículas coloidales se encontró en 1983 cuando Louis Brus y sus colaboradores investigaron los cristalitos de CdS. Utilizando métodos previamente conocidos para la síntesis de nanopartículas, prepararon partículas relativamente pequeñas de CdS en solución en presencia de un copolímero de estireno/anhídrido maleico que ayudaba a prevenir la coagulación y la floculación. Una solución recién preparada mostró una estrecha distribución de tamaños alrededor de 4.5 nm, según lo determinado por microscopía electrónica de transmisión.
Sin embargo, cuando se dejaron envejecer durante un día, los cristalitos se disolvieron y recristalizaron para formar partículas más grandes con una distribución de tamaños más amplia alrededor de 12.5 nm (un proceso también conocido como ripening de Ostwald). Utilizando dispersión Raman resonante y espectroscopía de absorción para investigar los estados electrónicos, Brus y sus colaboradores encontraron diferencias entre las partículas recién preparadas y las envejecidas. Mientras que las partículas más grandes envejecidas presentaban un espectro de excitación como el esperado para el CdS a granel, las partículas más pequeñas y frescas exhibieron un desplazamiento hacia el azul y un ensanchamiento de la línea de excitón. Los autores atribuyeron esta diferencia entre las partículas pequeñas y grandes a un efecto de tamaño cuántico moderado por la interacción electrostática entre electrón y hueco.
La bibliografía del trabajo inicial de Brus y sus colaboradores indica que el equipo con sede en EE. UU. conocía la observación anterior de efectos de tamaño cuántico en pozos cuánticos bidimensionales, pero no estaba al tanto del descubrimiento de puntos cuánticos semiconductores en una matriz de vidrio por parte de Ekimov dos años antes en lo que entonces era la URSS.
Después del descubrimiento experimental de su equipo de efectos de tamaño cuántico en nanopartículas coloidales, Brus presentó un modelo que describía el efecto del tamaño de la partícula en los potenciales redox de electrones y huecos para reacciones químicas superficiales. Utilizando una aproximación de masa efectiva y un potencial modelo esférico, y considerando la polarización de la solución circundante causada por la diferencia en la constante dieléctrica entre el semiconductor y la solución, predijeron efectos de tamaño cuántico en los potenciales redox fotoquímicos y en la energía del excitón más bajo para cristales semiconductores más pequeños que aproximadamente 5 nm. En trabajos posteriores, Brus también incluyó la interacción de Coulomb entre electrón y hueco.
Revisión a trabajos anteriores
Es probable que los efectos de tamaño cuántico en nanopartículas se hubieran observado previamente sin ser reconocidos como tales. Por ejemplo, estudios de suspensiones de grano fino de AgBr y polvos de AgI en la década de 1960 revelaron variaciones en el coeficiente de absorción del excitón que dependían de la estructura cristalina y el tamaño de grano, pero no se informaron observaciones sistemáticas del cambio de longitud de onda de absorción dependiente del tamaño ni se discutieron los efectos de tamaño cuántico. Una dependencia sistemática del tamaño observada en la absorción óptica en nanocristales de CdSe con un radio menor a 5 nm e incrustados en vidrio se clasificó como una «anomalía óptica». Observaciones de un cambio de tamaño dependiente en los espectros de luminiscencia y Raman de pequeñas partículas de CdS se atribuyeron a efectos de tamaño cuántico, pero sin comparación con la teoría.
Rossetti y Brus ya habían informado de la absorción por encima del umbral de banda de 20 nm de partículas coloidales de CdS en 1982. Alrededor de la misma época, Henglein observó un cambio de color en el CdS coloidal depositado sobre SiO2 de 13 nm. En ese momento, atribuyó este efecto a una estructura amorfa, pero más tarde, siguiendo los descubrimientos de Brus, estableció la estructura cristalina y atribuyó los cambios de color a efectos de tamaño cuántico.
Una revisión exhaustiva de 1986 enumeró varios trabajos donde es probable que se hubieran observado efectos de tamaño cuántico en pequeñas nanopartículas metálicas, incluyendo el desplazamiento Knight y la dependencia de la susceptibilidad magnética con la temperatura a bajas temperaturas. Sin embargo, la revisión concluyó que los efectos de tamaño cuántico en las propiedades ópticas de las partículas metálicas no se habían observado en ese momento.
Mejora a los procesos de síntesis de puntos cuánticos
El descubrimiento de efectos de tamaño cuántico en nanocristales coloidales estimuló significativos esfuerzos de investigación dedicados a comprender sus propiedades ópticas y fotoquímicas, con la esperanza de poder utilizar el tamaño para diseñar propiedades físicas y químicas deseables. Sin embargo, el progreso se vio en parte obstaculizado por la limitada homogeneidad y calidad de los nanocristales disponibles en ese momento, con variaciones en tamaño, forma, cristalinidad y defectos electrónicos superficiales que dificultaban el aislamiento de un comportamiento inherentemente dependiente del tamaño. Por ejemplo, la luminiscencia de los nanocristales disponibles a finales de la década de 1980 generalmente se veía limitada por un rendimiento cuántico de solo unos pocos por ciento.
En 1993, Moungi Bawendi y sus colaboradores desarrollaron un método para la síntesis de puntos cuánticos con un tamaño mucho más definido y una alta calidad óptica. Este descubrimiento abrió la puerta al desarrollo de aplicaciones de puntos cuánticos coloidales. La síntesis comienza con la inyección y la pirólisis inmediata de reactivos organometálicos (los precursores de las nanopartículas deseadas) en un solvente coordinado caliente con un punto de ebullición alto. El rápido aumento de las concentraciones de reactivos resulta en una supersaturación abrupta y en una nucleación que tiene lugar en un momento bien definido.
La inyección va acompañada de una caída repentina de la temperatura y una dilución de los precursores de manera que el crecimiento se detiene. Después de volver a calentar a la temperatura de crecimiento deseada, tiene lugar un proceso de crecimiento lento y de recocido en el solvente coordinado que ayuda a estabilizar la dispersión coloidal resultante. Este principio de nucleación temporalmente discreta seguida de crecimiento controlado era conocido en la producción de coloides líofílicos monodispersos.
Finalmente, las partículas se pueden seleccionar mediante purificación y precipitación dependiente del tamaño. El resultado son cantidades macroscópicas de nanopartículas con una estructura y forma central regular, con una derivación de superficie consistente y una superficie de semiconductor electrónicamente pasivada, y con un tamaño bien definido que se determina mediante el control dinámico de la temperatura durante la fase de crecimiento. Se observaron espectros de absorción óptica relativamente nítidos y espectros de emisión a temperatura ambiente, con un rendimiento cuántico de luminiscencia de hasta el 10%. Al retirar muestras durante el proceso de crecimiento, se pueden obtener una serie completa de tamaños de partículas durante una sola ejecución de crecimiento.
El método de síntesis por inyección en caliente desarrollado por Bawendi y sus colaboradores constituía una estrategia química adaptable y reproducible para la síntesis de nanopartículas monodispersas utilizando una amplia gama de sistemas de materiales. Así, abrió la puerta al desarrollo de aplicaciones a gran escala de puntos cuánticos.
Aplicaciones de los puntos cuánticos
Los puntos cuánticos semiconductores incrustados en vidrio, tal como fueron descubiertos por Ekimov, siguen siendo interesantes hasta el día de hoy para su uso como elementos ópticos no lineales, por ejemplo, para la amplificación de señales en sistemas de comunicación por fibra óptica.
Después de los descubrimientos de Ekimov y Brus, se produjeron puntos cuánticos utilizando otros métodos. El nombre «punto cuántico» fue introducido por Mark Reed en 1986 para describir un objeto tridimensional completamente confinado, en el contexto de un enfoque de arriba hacia abajo para definir puntos cuánticos en sólidos. Su equipo utilizó litografía por haz de electrones y grabado para patrónar un pozo cuántico GaAs/AlGaAs cultivado por MBE para formar un punto cuántico. «Punto cuántico» siguió la terminología existente para pozos cuánticos bidimensionales y alambres cuánticos unidimensionales.
Otro enfoque para crear puntos cuánticos en un sustrato sólido es el método de crecimiento Stranski-Krastanov. Este método hace uso de la formación de islas o gotas durante la deposición de un material sobre un sustrato que no está emparejado en la red cristalina. Al cubrir la «isla» resultante con una capa adicional de material con un mayor ancho de banda prohibida, se pueden crear puntos cuánticos heteroestructurales con propiedades ópticas definidas de manera autoorganizada.
Los puntos cuánticos heteroestructurales incrustados en una matriz sólida de otros materiales, como se describe anteriormente, pueden ser contactados eléctricamente; se utilizan en una variedad de aplicaciones, por ejemplo, en láseres de puntos cuánticos para comunicaciones ópticas.
Hoy en día, «punto cuántico» se refiere a una nanoestructura en la que los efectos cuánticos se manifiestan en la estructura electrónica, ya sea a través de efectos de tamaño cuántico, interacciones de muchos cuerpos (estados excitónicos) o una alta relación superficie-volumen de modo que los estados superficiales dominan la estructura electrónica. Además de un tamaño pequeño comparable a la longitud de onda de de Broglie de los portadores, ahora se reconoce que la longitud de coherencia de fase cuántica (típicamente limitada por la dispersión inelástica) debe superar el tamaño del sistema.
El descubrimiento de puntos cuánticos coloidales y su síntesis controlada por Brus, Bawendi y sus colegas inició importantes esfuerzos para mejorar aún más la calidad y las propiedades ópticas de los puntos cuánticos coloidales, y para explorar posibles aplicaciones como diodos emisores de luz. Un aumento drástico en la calidad óptica de los puntos cuánticos coloidales fue posible gracias al desarrollo de puntos cuánticos de núcleo-cáscara, lo que permitió aplicar métodos de pasivación bien conocidos en óptica de semiconductores.
Se crearon nanopartículas de núcleo-cáscara que consistían en una cáscara de banda prohibida amplia, como ZnS, para confinar electrones y huecos en un núcleo de banda prohibida estrecha, como CdSe. De esta manera, los portadores de carga en el núcleo se separaron de los estados superficiales, como los enlaces insaturados, que son perjudiciales para el rendimiento óptico.
Al añadir una capa adicional en la misma reacción se hicieron modificaciones al método de síntesis por inyección en caliente para evitar la precipitación selectiva de tamaños y lograr la síntesis de nanocristales casi monodispersos. Los puntos cuánticos de núcleo-cáscara resultantes de CdSe/ZnS tenían un rendimiento cuántico de luminiscencia a temperatura ambiente de hasta el 50%, con una mejor estabilidad a largo plazo y una reducción del blanqueo en comparación con los puntos cuánticos sin tapar.
La integración de puntos cuánticos inorgánicos con sistemas biológicos se hizo posible con la síntesis de puntos cuánticos solubles en agua de alta calidad óptica. Este logro fue importante porque hasta ese momento, los puntos cuánticos luminiscentes se preparaban en solventes orgánicos no polares. Se demostraron dos métodos para lograr la solubilidad en agua para los puntos cuánticos de núcleo-cáscara. Uno añadió una tercera capa de sílice para permitir una mayor funcionalización utilizando polisilanos.
El otro enfoque utilizó un ligando bifuncional, una molécula con un grupo tiol y un grupo carboxílico terminal, para cambiar la polaridad de los puntos cuánticos de CdSe con revestimiento de ZnS. El grupo tiol se unía a Zn en el punto cuántico, desplazando un ligando orgánico y exponiendo el grupo carboxílico polar para hacer que los puntos cuánticos fueran solubles en agua. Ambos métodos también permitieron el acoplamiento covalente a biomoléculas funcionales como proteínas, péptidos y ácidos nucleicos. Estos puntos cuánticos funcionalizados conservaron gran parte de sus ventajosas propiedades ópticas, ofreciendo una nueva herramienta para etiquetar biomoléculas dentro y fuera de las células, con una mejor estabilidad y una amplia gama de longitudes de onda de excitación y emisión disponibles.
Trabajos posteriores ampliaron ampliamente el alcance de los puntos cuánticos e incluyeron la exploración de diferentes materiales y una comprensión mejorada del proceso de crecimiento, la síntesis de puntos cuánticos en forma de varillas alargadas o con ramificaciones, y de placas con control de grosor a nivel de átomos. Las áreas de aplicación ampliamente exploradas de los puntos cuánticos incluyen su uso en fotovoltaica y otras formas de conversión de energía, en fotodetectores, en imágenes biomédicas y nanomedicina, y generalmente en tecnología infrarroja, donde los puntos cuánticos pueden proporcionar acceso a rangos de ancho de banda no fácilmente accesibles con otros materiales.
Una consideración importante es la toxicidad de algunos puntos cuánticos y de los materiales precursores utilizados en su fabricación. Se han explorado los efectos en la salud de los puntos cuánticos, no menos importante en el contexto de posibles aplicaciones médicas, y los esfuerzos de investigación en curso buscan encontrar procesos de producción con reactivos menos tóxicos y encontrar formas de evitar por completo el uso de metales pesados como cadmio, plomo o mercurio en los puntos cuánticos.
Camino a la nanociencia
El descubrimiento de los puntos cuánticos marcó un hito importante en el desarrollo de la nanociencia y sirvió de inspiración para que muchos químicos se adentraran en este campo interdisciplinario.
La nanociencia se centra en el estudio de fenómenos que ocurren cuando los materiales están estructurados o patrones en una escala de menos de aproximadamente 100 nanómetros (nm). Este rango de tamaño incluye, por ejemplo, la longitud de onda de la luz, la longitud de onda de De Broglie de los portadores de carga, el tamaño en el que ocurre la resonancia plasmónica, así como el tamaño de las grandes biomoléculas. Las nanoestructuras también tienen una gran área superficial en relación con su volumen, lo que conduce a nuevas propiedades. La nanotecnología se trata de aprovechar estas nuevas propiedades para mejorar el rendimiento de los materiales o para habilitar aplicaciones completamente nuevas.
La amplia variedad de fenómenos relevantes y la amplia gama de materiales y aplicaciones que se pueden explorar hacen que la nanociencia sea un campo muy rico con muchas ramas diferentes. La nanotecnología utiliza herramientas de física de semiconductores, química orgánica e inorgánica, biología molecular y biotecnología. Las aplicaciones van desde la electrónica moderna hasta la catálisis a escala industrial, pasando por la medicina de precisión y la tecnología cuántica. Hoy en día, la mayoría de las universidades de investigación más grandes tienen centros o departamentos dedicados a la nanociencia y la nanotecnología.
En cierto sentido, la nanotecnología y las nanopartículas se han utilizado durante muchos siglos. Por ejemplo, se ha demostrado que una receta para teñir el cabello que data de la época greco-romana funciona mediante la formación de nanocristales de PbS de 5 nm dentro del córtex del cabello. Además, la famosa copa de Licurgo romana ha demostrado obtener su color rojo de partículas de oro (Au) encapsuladas en el rango de tamaño de 5 a 60 nm.
En ambos casos, el fenómeno de dispersión de Mie cambia el color de la luz transmitida. También se sabía desde hace mucho tiempo que la coloración del vidrio al agregar CdS o CdSe a vidrio de silicato en soluciones amorfas y sobresaturadas se debía a la nucleación y crecimiento de cristalitos, y que el color del vidrio podía variar cambiando los procedimientos de síntesis y el recocido.
Sin embargo, el campo moderno de la nanociencia requiere un control preciso, idealmente a nivel de átomos, en la síntesis de nanoestructuras. Por lo tanto, la capacidad de fabricar materiales a escala nanométrica con precisión subnanométrica y alta fidelidad, de manera segura, en reacciones químicas de laboratorio, representa un hito clave en el desarrollo del campo de la nanociencia. Los Laureados de este año desempeñaron un papel central en el establecimiento de estas capacidades y, de esta manera, proporcionaron las semillas para que floreciera el rico campo de la nanociencia.
Con información de The Nobel Prize in Chemistry 2023
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