Este año 2023 el premio de Química es para Alexei I. Ekimov, Louis E. Brus y Moungi G. Bawendi por el descubrimiento y síntesis de los Quantum Dots. Por plantar una semilla muy importante para el nacimiento de la nanotecnología.
Los Quantum dots (QDs) o puntos cuánticos son pequeñísimos cristales de entre 2 y 10 o 30 nanómetros que por tener esta escala exhiben propiedades óticas, eléctricas únicas. Esto incluye la capacidad de transportar electrones y emitir luz de varios colores cuando son expuestos a luz ultravioleta (UV). Son más pequeños que el menor virus conocido y mayores que una molécula un poco grande como la coenzima Q10, como se puede apreciar en la figura. También serían más pequeños que un anticuerpo, aunque esto depende mucho del tipo de quantum dots.
El primero en describirlos fue Alexei Ekimov, 1981, en la URSS pudo fabricar vidrios de diferentes colores según el tamaño nano métrico de los cristales de cloruro de cobre que contenían (2-30nm). Ekimov demostró mediante difracción de rayos que la relación color de vidrio-tamaño de partícula se debía a efectos cuánticos y era el causante de los diferentes colores que adquirían los cristales. El problema era que las partículas estaban atrapadas en los cristales y esto restringía sus usos.
Posterior e independientemente, en 1983, Louis Brus fue el primer científico del mundo en probar los efectos cuánticos dependientes del tamaño de las partículas, esta vez de sulfuro de cadmio, cuando se encontraban libres en un fluido. Descubrió los quantum dots coloidales, nanocristales semiconductores con muchas aplicaciones en la actualidad. Demostró, que en este caso las cualidades electrónicas no dependían del material utilizado, sino más bien del tamaño de las partículas de este.
En 1993, Moungi Bawendi cambio radicalmente la forma de producir químicamente quantum dots, haciendo el proceso más fácil y preciso en cuanto al tamaño de las partículas y, por tanto, de sus propiedades.
La síntesis comenzaba con la inyección y pirolisis inmediata de reactivos organometálicos (los precursores) en el interior de un disolvente de coordinación caliente con alto punto de ebullición. Esta entrada repentina de las sustancias en alta concentración crea las condiciones óptimas de sobresaturación para el comienzo de la nucleación y el crecimiento de los pequeños cristales. A su vez, se produce una caída de la temperatura y la dilución de los precursores, lo que detiene el crecimiento de los cristales. Posteriormente, se sigue calentando suavemente para que continúe el lento crecimiento de los cristales hasta el tamaño que se quiera y se estabilicen los cristales. Por último, hay que purificar y seleccionar homogéneamente las partículas, de seleniuro de cadmio, haciendo una precipitación dependiente del tamaño. Con este método se podían obtener cantidades suficientes de nanopartículas con estructura, forma y tamaño definido, controlando la temperatura en el proceso de crecimiento. Esto es, si vamos extrayendo pequeñas cantidades mientras los nano cristales crecen, podemos sintetizar un rango completo de tamaños de partícula de una sola tacada.
Este proceso de síntesis por inyección caliente hizo más fácil y precisa su obtención y amplió sus aplicaciones actuales en tecnología y biología. Los QDots se utilizan en la actualidad en las pantallas QLED para emitir luz de diferentes colores o para monitorizar procesos biológicos con luz o descubrir y marcar tumores. Posteriormente, se han creado métodos de síntesis alternativos y otras muchas aplicaciones en electrónica, monocables, células fotoeléctricas, y un largo etc.
REFERENCIAS
Popular science background: They added colour to nanotechnology (pdf)
Scientific background: Quantum dots – seeds of nanoscience (pdf)
Flagellum. Impulsando la comprensión de la ciencia. 