El premio Nobel de Química de 2023 ha sido concedido, ex–aequo, a los investigadores Ekimov, Brus y Bawendi, por sus trabajos exhaustivos en la fabricación y aplicación de los denominados puntos cuánticos, pequeños agregados de unos pocos nanómetros de tamaño (un nanómetro es una mil millonésima de metro).
Aunque el uso de partículas nanométricas se remonta a más de 3000 años, en la fabricación de vidrios con diversas coloraciones, el premio se debe al desarrollo de agregados robustos y estables, que permiten un adecuado control en su fabricación y aplicación. Entonces la pregunta es: ¿Qué son estos puntos cuánticos, cómo se fabrican, y para qué se utilizan?.
Supongamos que fabricamos pequeñas esferas de hierro, como las que se utilizan para rodamientos —y que tan importantes resultan para que las ruedas giren alrededor de un eje, sin que el rozamiento las haga detener casi al instante. De esferas de acero para rodamientos existen de muchos tipos y tamaños. Su aspecto y función es el mismo, por mucho que este tamaño cambie. Las esferas más pequeñas, disponibles comercialmente, que se utilizan como rodamientos son de 0.25 milímetros de diámetro, y tienen aplicación en microrobótica. Lo que no se nos pasa por la cabeza es que un simple cambio en el diámetro de la esfera pueda modificar drásticamente alguna propiedad físicamente importante del dispositivo.
Sin embargo, cuando llegamos a la nanoescala, es decir, unas mil veces menos que el rodamiento más pequeño, las cosas ya no son así con algunas substancias. Hablamos de crear esferas con, a lo sumo, pocos miles de átomos, que pueden descender hasta unos pocos cientos. En esta situación, las propiedades cambian, vaya que sí.
Por ejemplo, los diferentes colores que se muestran en la próxima imagen se obtienen con la misma sustancia química. Tan cierto como contrario a la intuición, puesto que nuestro conocimiento de los colores de las sustancias nos dice que, para tener colores diferentes, necesitamos sustancias químicas diferentes. Y muchas veces, completamente diferentes. Y si no, preguntad a los artistas de la pintura, sobre el origen químico de su paleta de colores…
La fotografía, como os decía, muestra un buen ejemplo de lo que estamos comentando. Los diferentes recipientes contienen el mismo compuesto, una solución de Seleniuro de Cadmio, que químicamente se escribe CdSe, y que se encuentran en forma de diminutas esferas del mismo tamaño, tan pequeñas y en tanta cantidad que dan la apariencia de sustancia maciza.
Y sí, habéis leído bien, todos los recipientes contienen la misma sustancia. ¿Qué cambia, entonces? ¿Cómo puede ser que, si la sustancia es la misma, los colores sean tan diferentes? Como ya os imaginaréis, es el tamaño de las "bolitas" que se han sintetizado del compuesto, lo que cambia.
El tamaño real de las esferas está indicado, en la figura, sobre cada lámpara. Vemos entonces que, si las bolas de CdSe son de 2 nanómetros, la sustancia emite un potente tono azul. Si son de 3 nanómetros, verde-amarillo, y si son de 4.2 nanómetros, rojo–anaranjado. Y, a tamaños intermedios, colores intermedios entre los anteriores. Por tanto, un cambio gradual de tamaño provoca un cambio gradual de la longitud de onda de la luz emitida por el material. A menor tamaño, menor longitud de onda. Esta emisión puede darse por incidir sobre el material luz visible o ultravioleta, un ejemplo de la emisión de luz conocida como fluorescencia, o también tiene lugar la emisión por aplicación de corriente eléctrica, como también ocurre en los diodos emisores de luz, los LED, por el fenómeno denominado electroluminiscencia.
El cambio en la longitud de onda emitida, con el tamaño de las esferas, no puede explicarse sin recurrir a la Física Cuántica, de ahí que a las pequeñas esferas que componen estos materiales, se las denomine puntos cuánticos. Puntos, por acercarse al concepto límite de objeto puntual, sin dimensiones, y cuántico por la cuantización de las energías permitidas de los electrones del pequeño conglomerado de átomos.
El tamaño tan diminuto de las esferas, que componen el material, obliga entonces a que las energías de los electrones más exteriores del sólido tengan su energía cuantizada, de forma que no todas las energías son posibles. Además, la diferencia entre valores consecutivos de estas energías depende del tamaño de la esfera: cuanto más pequeña es la esfera, mayor es el salto cuántico entre energías permitidas. Se trata entonces de un efecto cuántico por confinamiento, es decir, por forzar a las partículas a un espacio de tamaño nanométrico.
No se trata de una curiosidad de laboratorio. Los puntos cuánticos se fabrican hoy en día en grandes cantidades, puesto que su fabricación es condenadamente simple. Un adecuado control de las concentraciones, temperaturas y disolventes permite fabricar esferas con mayúsculo control de su diámetro, y todo ello en reactores químicos convencionales.
Las posibles aplicaciones son muy numerosas. Ya han empezado a usarse, junto a los LED, en la retroiluminación de las pantallas planas de los televisores de última generación. La miniaturización y robustez que prometen estos puntos cuánticos mágicos nos llevará, seguro, a situaciones insospechadas e inimaginables. Y no sólo por lo que se refiere a la iluminación y a la imagen, puesto que las aplicaciones pueden llegar a la medicina, con las esferas recubiertas por medicamentos, que se activan con la luz, a las células solares, a los sensores, a los marcadores biológicos, y quien sabe qué otras y apasionantes aplicaciones.
