El Premio Nobel de Química 2023 recompensó a los descubridores de los puntos cuánticos. Estas partículas diminutas, que están compuestas de cristales semiconductores que absorben y difunden luz, ahora iluminan monitores de computadora, celulares, pantallas de televisión y lámparas LED. En medicina, se emplean para iluminar y remover el tejido tumoral durante una cirugía y también mejoran la precisión de diagnósticos por imagen. En el futuro podrían ser claves para la computación cuántica y nuevas fuentes de energía.

En química, las propiedades de un elemento se rigen por la cantidad de electrones que tiene. Sin embargo, cuando la materia se reduce a nanodimensiones surgen fenómenos cuánticos; estos se rigen por el tamaño del asunto. Los premios Nobel de Química 2023 lograron producir partículas tan pequeñas que sus propiedades están determinadas por fenómenos cuánticos. Las partículas llamadas puntos cuánticos tienen hoy en día una gran importancia, destacó el jurado.

Los físicos sabían desde hacía mucho tiempo que, en teoría, en las nanopartículas podían surgir efectos cuánticos dependientes del tamaño, pero en aquel momento era casi imposible esculpir en nanodimensiones. Pocas personas creían que este conocimiento se pudiera poner en práctica.

Sin embargo, a principios de 1980, Alexei Ekimov logró crear efectos cuánticos dependientes del tamaño en vidrio coloreado. El color procedía de nanopartículas de cloruro de cobre y Ekimov demostró que el tamaño de las partículas afectaba al color del vidrio mediante efectos cuánticos.

Unos años más tarde, Louis Brus fue el primer científico del mundo en demostrar efectos cuánticos dependientes del tamaño en partículas que flotan libremente en un fluido.

En 1993, Moungi Bawendi revolucionó la producción química de puntos cuánticos, dando como resultado partículas casi perfectas. Esta alta calidad era necesaria para que pudieran utilizarse en aplicaciones.

Propiedades

Florencia Fagalde, profesora titular de Química Inorgánica II en la Facultad de Química, Bioquímica y Farmacia de la UNT y directora del Instituto de Química del Noroeste (Conicet-UNT), explica de qué se trata el descubrimiento de los premiados: “los puntos cuánticos, o en inglés Quantum Dot, son materiales cristalinos invisibles a simple vista que tienen la capacidad de absorber y emitir luz. Esos nanocristales cuyo tamaño es de una millonésima parte de un milímetro, son semiconductores inorgánicos y tienen propiedades ópticas y electrónicas diferentes que las partículas más grandes. Tal es así, que dependiendo del tamaño y la forma de esos puntos cuánticos, cuando se los ilumina con luz pueden emitir a diferentes longitudes de onda”, remarcó.

Luego dio ejemplos de los diferentes tonos que tienen de acuerdo a su tamaño: “aquellos puntos cuánticos que miden entre cinco a seis nanómetros (nm) de diámetro emiten en colores como el naranja o el rojo. Y aquellos más pequeños (dos a tres nm) lo hacen con colores como el azul o el verde. De esta forma, esas pequeñas partículas que emiten luz de diferentes colores podrían ser utilizadas para distintas aplicaciones teniendo en cuenta solo su tamaño”.

Según la profesional, el descubrimiento de los puntos cuánticos revolucionó el mercado tecnológico. Además de estar presentes en monitores de computadores, celulares, pantallas de televisión y en lámparas LED, los puntos cuánticos se pueden encontrar en celdas solares de cuarta generación y en la detección de contaminantes. En un futuro se espera que puedan contribuir a desarrollar componentes electrónicos flexibles, o celdas solares más delgadas que las actualmente en uso, adelantó.

Creadas en laboratorio

El doctor en Química, Oscar Marín Ramírez, investigador del Conicet, dio más detalles para entender los puntos cuánticos.

“Desde principios del siglo pasado se descubrió que para las partículas muy pequeñas o en la escala atómica -por ejemplo, los electrones-, la física tradicional no podía explicar su comportamiento. Para abordar este problema, se desarrolló la mecánica cuántica. Esta nueva rama de la física permitió teorizar que existe un límite de tamaño, más allá del cual la materia debe comportarse de manera diferente o exhibir nuevas propiedades; es decir, partículas muy pequeñas deben tener un comportamiento dominado por las leyes de la mecánica cuántica. Pasaron muchos años para que esta idea se demostrara. Este tipo de partículas son conocidas ahora como puntos cuánticos”, describió.

“Entonces, ahora ya se sabe que los puntos cuánticos son partículas que tienen un tamaño entre 1 y 10 nm, y su comportamiento está determinado por las leyes de la mecánica cuántica. ¡Hay que tener en cuenta que 1 nm es mil millones de veces más pequeño que 1 metro!”, exclamó el investigador.

Dentro de este límite, según precisó Marín Ramínez, el comportamiento de los materiales cambia por completo. Cualquier pequeño cambio de tamaño, hace que las propiedades cambien y se modifica el color.

“El descubrimiento de los métodos químicos para fabricar de forma controlada y repetible puntos cuánticos fue lo que ahora premian con el Nobel. Estos científicos desarrollaron métodos para obtener estos puntos cuánticos controlando su tamaño -o que es lo mismo, sus propiedades- desde la fabricación. Esto es de gran importancia, ya que representó un hito fundamental en la formación de lo que ahora conocemos como la nanotecnología”, remarcó. Hoy los puntos cuánticos aparecen en mucha de nuestra tecnología moderna y se espera que en el futuro estén más presentes.