Moungi G. Bawendi

Louis E. Brus

Aleksey Yekimov

Moungi G. Bawendi  (1961). USA

Louis E. Brus (1943). USA

Aleksey  Yekimov (1945). USA

"Por el descubrimiento y desarrollo de los puntos cuánticos, diminutas partículas con propiedades unicas, usadas en las pantallas de televisión y las lámparas LED, como catalizadores en las reacciones químicas y detectores tumorales".

El tamaño importa. En el nanomundo, las cosas realmente se comportan de manera diferente. Cuando el tamaño de la materia se mide en millonésimas de milímetro, comienzan a ocurrir fenómenos extraños, efectos cuánticos, que desafían nuestra intuición. Los Premios Nobel de Química 2023 han sido pioneros en la exploración del nanomundo. A principios de la década de 1980, Louis Brus y Aleksey Yekimov lograron crear, independientemente el uno del otro, puntos cuánticos: nanopartículas tan pequeñas que los efectos cuánticos determinan sus características. En 1993, Moungi Bawendi revolucionó los métodos de fabricación de puntos cuánticos, lo que hace que su calidad sea extremadamente alta, un requisito fundamental para su uso.

La humanidad ya puede utilizar algunas de las propiedades peculiares del nanomundo. Los puntos cuánticos se encuentran en productos comerciales y se utilizan en muchas disciplinas científicas, desde la física y la química hasta la medicina.

Durante décadas, los fenómenos cuánticos en el nanomundo fueron solo una predicción. En 1937, el físico Herbert Fröhlich ya había predicho que las nanopartículas no se comportarían como otras partículas. La famosa ecuación de Schrödinger  muestra que cuando las partículas se vuelven extremadamente pequeñas, hay menos espacio para los electrones del material, dando lugar a cambios drásticos en las propiedades del material. Los investigadores, utilizando herramientas matemáticas, lograron predecir numerosos efectos cuánticos dependientes del tamaño, pero la dificultad estaba en obtener estructuras  un millón de veces más pequeñas que la cabeza de un alfiler que demostraran las predicciones.

En la década de 1970, los investigadores lograron crear una nanoestructura de este tipo: una capa nanodelgada de material de recubrimiento sobre un material de soporte. Las propiedades ópticas del recubrimiento variaban según lo delgado que fuera, una observación que coincidía con las predicciones de la mecánica cuántica. El problema era que se requería producir un ultra alto vacío  y trabajar a temperaturas cercanas al cero absoluto, lo que alejaba el descubrimiento de una posible aplicación, pero, inesperadamente, la solución vino de un procedimiento ancestral: el coloreado del vidrio.

Se sabía que una sola sustancia podía dar como resultado un vidrio de color completamente diferente. Por ejemplo, una mezcla de seleniuro de cadmio y sulfuro de cadmio podía hacer que el vidrio se volviera amarillo o rojo,  dependiendo de cuánto se calentaba el vidrio fundido y cómo se enfriaba.

El hecho de que una sola sustancia pudiera dar lugar a un vidrio de diferente color interesó a Aleksey Yekimov,  ¿cómo podría una sola sustancia dar vidrio de diferentes colores?

Después de algunos experimentos iniciales, decidió producir sistemáticamente vidrio teñido con cloruro de cobre. Calentó el vidrio fundido a temperaturas entre 500 °C y 700 °C, variando el tiempo de calentamiento de 1 hora a 96 horas. Una vez que el vidrio se enfrió y endureció, lo radiografió comprobando que se habían formado pequeños cristales de cloruro de cobre dentro del vidrio y que el proceso de fabricación afectaba el tamaño de estas partículas. En algunas de las muestras eran solo de unos dos nanómetros, en otras eran de hasta 30 nanómetros.La absorción de luz  se veía afectada por el tamaño de las partículas.

Yekimov conocía bien las leyes de la mecánica cuántica y rápidamente se dio cuenta de que había observado un efecto cuántico dependiente del tamaño. Fue la primera vez  que se habían producido deliberadamente puntos cuánticos. Yekimov publicó su descubrimiento en una revista científica soviética en 1981 , pero el Telón de Acero dificultó su conocimiento. De ahí que Louis Brus, desconociera el trabajo de Aleksey Yekimov cuando, en 1983, descubrió efectos cuánticos dependientes del tamaño en partículas que flotan libremente en una solución

¿Tiene esto tanta importancia?...

Las propiedades ópticas de una sustancia se deben a su estructura electrónica. Los mismos electrones son también los responsables de otras propiedades de la sustancia, como su capacidad para catalizar reacciones químicas o conducir electricidad. Así que si se detecta un cambio en la absorción, podemos estar creando  un material completamente nuevo. Al parecer, las propiedades de un elemento no solo se ven afectadas por el número de capas de electrones y la cantidad de electrones que hay en la capa exterior, sino que, a nivel nanométrico, el tamaño también importa.

El tercero de los premiados, Moungi Bawendi revolucionó la producción de puntos cuánticos  El mayor avance se produjo en 1993, cuando inyectó las sustancias que formarían nanocristales en un disolvente calentado y cuidadosamente elegido, luego, variando la temperatura de la solución, Moungi Bawendi y su grupo de investigación lograron cultivar nanocristales de un tamaño específico. Los nanocristales producidos eran casi perfectos, además el método era sencillo, así que cada vez más químicos comenzaron a trabajar con nanotecnología y comenzaron a investigar las propiedades de los puntos cuánticos

Treinta años después, los puntos cuánticos son una parte importante herramienta nanotecnologica y se usan en  en productos comerciales. Si los puntos cuánticos se iluminan con luz azul, absorben la luz y emiten un color diferente. La modificación del tamaño de las partículas permite determinar exactamente qué color. Las propiedades luminosas de los puntos cuánticos se utilizan en pantallas de ordenador y televisión basadas en la tecnología QLED.  También se utilizan en algunas lámparas LED que pueden cambiar de color y la luz de los puntos cuánticos es utilizada en bioquímica y medicina. Los bioquímicos los introducen en biomoléculas para mapear células y órganos y los médicos han comenzado a investigar el uso potencial de puntos cuánticos para detectar tejidos tumorales. Los químicos, en cambio, los utilizan como catalizadores. Por lo tanto, los puntos cuánticos están aportando un gran beneficio a la humanidad.

Los investigadores creen que en el futuro los puntos cuánticos pueden contribuir a crear pantallas flexibles, sensores minúsculos, células solares más delgadas y, tal vez, a la comunicación cuántica encriptada.