Qué son los puntos cuánticos, el descubrimiento del premio Nobel de Química 2023

Algunos los llaman “átomos artificiales”.

Los puntos cuánticos son los componentes más pequeños de la nanotecnología, tremendamente diminutos, de apenas unas pocas millonésimas de milímetro.

Son estructuras artificiales creadas en el laboratorio a partir de materiales semiconductores, que se conocen también como nanocristales. Su tamaño es tan reducido, que sus cualidades están determinadas por fenómenos de naturaleza cuántica.

Tienen propiedades ópticas y electrónicas únicas, entre ellas la capacidad de transportar electrones y emitir luces de diferentes colores cuando son estimulados mediante luz o electricidad. Los más pequeños son azules, y los más grandes amarillos y rojos.

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Su descubrimiento y síntesis han sido reconocidos con el premio Nobel de Química 2023, que ha galardonado a Moungi Bawendi, Louis Brus y Alexei Ekimov por su trabajo en este campo.

Las peculiares propiedades de estos nanocristales han revolucionado productos comerciales como las pantallas de televisión o las lámparas LED, y se utilizan en numerosas disciplinas científicas, como la física, la química o la medicina, donde se están empezando a utilizar en el tratamiento experimental del cáncer.

Estas diminutas estructuras “son capaces de confinar los electrones en regiones de tamaños minúsculo, miles de veces más pequeñas 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, en España.

En la naturaleza, los electrones están confinados dentro de los átomos, pero su manipulación es difícil y costosa. “Gracias a los puntos cuánticos, se pueden atrapar los electrones para que su estudio sea mucho más sencillo. De ahí que a los puntos cuánticos se les denomine ‘átomos artificiales’”, asegura Sánchez, citado por Science Media Centre España (SMC).

Cómo se descubrieron

Los físicos sabían desde hacía tiempo que, en teoría, las nanopartículas podían tener efectos cuánticos dependientes del tamaño, pero resultaba casi imposible esculpir esas 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 el resto de partículas, sino que lo harían de forma diferente. De esta forma, exploró las consecuencias teóricas de la famosa Ecuación de Schrödinger, que señala que cuando las partículas se hacen extremadamente pequeñas, hay menos espacio para los electrones del material, por lo que estos se apretujan.

Frölich concluyó que el resultado de esto sería un cambio drástico en las propiedades del material.

Esto es lo que se conoce como “efectos cuánticos”, que ponen a prueba nuestra intuición.

Ponerlo en práctica, sin embargo, no era fácil debido a que, para demostrarlo, había que crear una estructura que fuera 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 conseguido justo eso, señaló la Real Academia Sueca de Ciencias al anunciar el premio.

El físico Alexei I. Ekimov (Unión Soviética, 1945) fue el primero en observar los puntos cuánticos en 1981 en cristales.

Trabajó con un cristal teñido con cloruro de cobre y sometido a diferentes temperaturas, lo que produjo diminutos cristales en su interior.

Ekimov se dio cuenta de que la absorción de luz del cristal se veía afectada por el tamaño de esas partículas, esos nanocristales que se habían formado. Las más grandes absorbían la luz de la misma forma que lo hace habitualmente el cloruro de cobre. Sin embargo, cuanto más pequeñas eran las partículas, más azul era la luz que absorbían.

El físico, que trabaja con la empresa estadounidense Nanocrystals Technology, supo entonces que estaba observando un efecto cuántico dependiente del tamaño.

Años más tarde, el químico estadounidense Louis E. Brus (1943), de la Universidad de Columbia, logró probar que esos efectos cuánticos dependientes del tamaño también se observaban en las partículas que flotaban libremente en un líquido.

Brun estaba trabajando con nanopartículas de sulfuro de cadmio cuando observó que las partículas más grandes absorbían la luz a la misma longitud de onda que el sulfuro de cadmio hace normalmente, pero que cuanto más pequeñas eran estas partículas, la absorción viraba hacia el azul.

Para comprender la magnitud de estos descubrimientos, la Academia Sueca de Ciencias sugiere imaginar que la tabla periódica hubiera ganado, de repente, una tercera dimensión.

“Las propiedades de un elemento no solo se ven afectadas por el número de capas electrónicas y por 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, ¡por supuesto que 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 Massachusetts Institute of Technology (MIT) logró inyectar las distintas sustancias que formarían los nanocristales en un disolvente que se calentaba. Al saturar el disolvente se empezaban a formar los diminutos cristales de forma simultánea.

El equipo consiguió crear nanocristales de un tamaño específico variando la temperatura de la solución, logrando cristales “casi perfectos”, como ha destacado la Academia sueca.

Múltiples aplicaciones

De esta forma, 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, (a crear) sensores diminutos, células solares más delgadas y a la comunicación cuántica cifrada, por lo que acabamos de empezar a explorar el potencial de estas partículas diminutas”, señaló la Real Academia Sueca.

“Los puntos cuánticos aportan de esta manera un gran beneficio a la humanidad”, añadió la institución que entrega el Nobel.

Hoy en día han dado forma a productos comerciales que muchas personas tienen en sus hogares.

“Se pueden emplear en la preparación de paneles solares, en sistemas de iluminación de pantallas y televisión basadas en tecnología QLED y, por supuesto, en biomedicina, ya que permiten la obtención de imágenes a nivel intracelular que pueden ser muy útiles en el diagnóstico y en el tratamiento de enfermedades como el cáncer“, afirma María José Ruedas Llama, catedrática del departamento de Físicoquímica en la Facultad de Farmacia de la Universidad de Granada, citada por SMC.

El premio, además, “refuerza la idea de que no hay aplicaciones tecnológicas sin investigación fundamental”, dijo Emilio Palomares, director del Instituto Catalán de Investigación Química (ICiQ), citado por la misma red.