Si el Nobel de Física de este año nos llevaba al mundo de lo diminuto de la mano de pulsos de láser que sucedían en el orden de los attosegundos –trillonésimas partes de segundo–, el anunciado Nobel de Química nos lleva también al universo de lo inoncebiblemente pequeño de la mano de la nanociencia, la disciplina que estudia fenómenos que ocurren en materiales de escalas menores a los 100 nanómetros, es decir, de menos de 100 millonésimas partes de un metro.
La Real Academia Sueca de Ciencias decidió premiar con el Nobel de Química al francés Moungi Bawendi (hoy en el Instituto de Tecnología de Massachusetts, Estados Unidos), al estadounidense Louis Brus (hoy en la Universidad de Columbia de su país) y al soviético Alexei Ekimov (ya retirado de la empresa Nanocrystals Technology Inc., también de Estados Unidos) “por el descubrimiento y la síntesis de puntos cuánticos”, que en inglés se conocen como quantum dots.
Poniendo el punto sobre los cuantos
¿Qué son los puntos cuánticos? Se trata de cristales semiconductores tan diminutos que se miden justamente en nanómetros. Como recuerda la Real Academia Sueca, lo que interesa de la pequeñez de los puntos cuánticos es que “su tamaño determina los estados mecánico-cuánticos de los portadores de carga del material” y que “tienen la misma estructura y composición atómica que los materiales voluminosos, pero sus propiedades se pueden ajustar utilizando un único parámetro, el tamaño de la partícula”.
La mecánica cuántica ya nos decía que las leyes que gobiernan las cosas que vemos en el mundo a las escalas que pueden registrar nuestros sentidos –nuestra vista, por ejemplo, está limitada por el tamaño de los objetos y poco distinguimos más allá de lo milimétrico o de la longitud de onda de la luz que nuestros ojos son capaces de percibir– no son las mismas que rigen en escalas diminutas como las de un átomo. Algo así como que hay muchos mundos, pero están en este de la física. Y son justamente estas propiedades y leyes que gobiernan el mundo cuántico las que se exploran en la nanociencia, estudiando materiales que puedan resultar interesantes ya sea para la química, la electrónica y demás. Los puntos cuánticos son uno de ellos, y por tanto la academia sueca señala que “los premios Nobel de Química 2023 lograron producir partículas tan pequeñas que sus propiedades están determinadas por fenómenos cuánticos”. Veamos un poco cómo llegaron a ellos.
El tamaño importa
Según se relata en la fundamentación del premio, los físicos “sabían desde hacía mucho tiempo que, en teoría, en las nanopartículas podían surgir efectos cuánticos dependientes del tamaño”, pero sostienen que por muchas décadas resultaba “casi imposible esculpir en nanodimensiones”. Siendo ese el panorama, nadie andaba pensando en poner en práctica lo que se sabía en teoría. Bueno, nadie no. La curiosidad rondaba y para muchos los “no se puede” son más atractivos que una lámpara halógena encendida para una polilla nocturna.
En la década de 1980, en lo que entonces era la Unión de Repúblicas Socialistas Soviéticas, Alexei Ekimov estaba intrigado por el hecho de que pese a agregarse un único elemento al vidrio –por ejemplo plata, oro o cadmio– mientras se elaboraba, se obtenían distintos colores. Obviamente Ekimov no estaba buscando generar partículas nano para que hoy estuvieran en artefactos electrónicos, sino que quería entender mejor qué era lo que estaba pasando. En su laboratorio del Instituto Estatal de Óptica S. I. Vasilov se propuso ver la lógica tras el ilógico resultado de obtener distintos colores del vidrio a partir de un mismo elemento agregado.
Trabajando con vidrios coloreados con cloruro de cobre, logró encontrar que se formaban cristales de ese compuesto que, dependiendo del proceso de elaboración del vidrio, variaban en tamaño, yendo de dos a 30 nanómetros. Y al variar en tamaño variaban en el color de la luz que le daban al vidrio. Cuanto más chicos eran estos cristales, más azulado resultaba el vidrio. ¡Un efecto de la mecánica cuántica dependiente del tamaño, tal cual predecían las teorías!
Como señala la fundamentación del premio, los experimentos Ekimov fueron los primeros en los que “alguien tuvo éxito en producir deliberadamente puntos cuánticos -nanopartículas que causan efectos cuánticos dependientes del tamaño”.
No es que haya tomado la posta, porque, según se señala, Louis Brus y su equipo –invisibilizado por este tipo de premio personalista– venían trabajando en los Laboratorios Bell, en Estados Unidos, y del otro lado de la cortina de hierro, en algo similar. Pero en lugar de trabajar con cristales fijados en el vidrio, que no estaban aptos para su posterior procesamiento, el norteamericano y su equipo venían haciendo lo suyo en partículas que flotaban libremente en un fluido. También tuvo éxito, pero si bien hoy llamaríamos a sus nanomateriales puntos cuánticos, ese nombre aún no había sido dado. El término sería empleado por primera vez en 1988 en un trabajo publicado por Mark Reed y otros colegas en el que proponen que al “pozo cuántico semiconductor confinado tridimensionalmente” se le pase a llamar de esa manera más corta y amable.
El descubrimiento de estos efectos del tamaño cuántico en nanocristales coloidales de Brus y su equipo “estimuló importantes 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”. Pero, aun así, hacerlos no era tan sencillo. Y entonces, como dice la Academia Real, “en 1993 Moungi Bawendi revolucionó la producción química de puntos cuánticos, dando como resultado partículas casi perfectas”, señalando que esa “alta calidad era necesaria para que pudieran utilizarse en aplicaciones”.
Los puntos cuánticos hoy
“Los puntos cuánticos ahora iluminan monitores de computadora y pantallas de televisión basadas en tecnología QLED. También añaden matices a la luz de algunas lámparas LED, y los bioquímicos y médicos las utilizan para mapear el tejido biológico”, señala la academia sueca. Para ello se ha explotado su propiedad de emitir luz de distintos colores de acuerdo a su tamaño.
Al respecto, se señala que “con un tamaño de mercado total estimado de 4.000 millones de dólares en 2021 los puntos cuánticos se utilizan como emisores de luz de alta calidad en iluminación y tecnología de visualización, así como para imágenes biomédicas”. También dicen que “hoy en día es posible producir puntos cuánticos con propiedades altamente controladas y dependientes del tamaño utilizando procesos químicos de costo relativamente bajo que hacen que estos materiales revolucionarios estén ampliamente disponibles”.
Pero el tamaño de los puntos cuánticos no sólo puede manipularse para emitir determinadas longitudes de onda lumínica, sino también los potenciales redox, la temperatura de fusión y las transiciones de fase, por lo que su uso nanotecnológico es diverso. Al respecto señalan que la nanotecnología explora hoy la aplicación de puntos cuánticos “en la fotodetección infrarroja, la conversión de energía solar, los diodos emisores de luz, el diagnóstico y la fotocatálisis”, aportando entonces “al beneficio de la humanidad”.