El premio Nobel de química de este año fue otorgado a tres científicos con sede en Estados Unidos: Moungi Bawendi en el Instituto de Tecnología de Massachusetts, Louis Brus en la Universidad de Columbia y Alexei Ekimov, quien recientemente fue científico jefe en Nanocrystals Technology, habiendo trabajado anteriormente en el Instituto Óptico Estatal Vavilov en San Petersburgo, Rusia. El premio fue otorgado por su «descubrimiento y síntesis de puntos cuánticos», pero ¿qué son los puntos cuánticos y por qué son merecedores de un premio Nobel?
¿Qué es un punto cuántico?
Los puntos cuánticos son pequeños cristales de material semiconductor. Los cristales son tan pequeños, de solo unos pocos nanómetros de ancho, que su tamaño físico en realidad confina los electrones en el material hasta el punto de que cambia su comportamiento. Esto significa que los fenómenos cuánticos determinan las propiedades de estos diminutos cristales, de ahí el nombre de puntos cuánticos.
La extensión del confinamiento depende del tamaño de la partícula, por lo que cambiar el tamaño de la partícula cambia sus propiedades de una manera predecible. Este efecto se puede utilizar para ajustar la banda prohibida del semiconductor de modo que los puntos emitan diferentes colores de luz cuando se iluminan con una fuente de una sola longitud de onda: los puntos más pequeños emitirán luz azul, mientras que los más grandes emitirán en el extremo rojo del espectro visible. Sus puntos de fusión y su capacidad para transferir electrones también se pueden modificar de esta manera.
Al igual que otros semiconductores, los puntos cuánticos tienden a estar hechos de combinaciones de metales de transición y elementos metaloides. El seleniuro de cadmio y el teluro de cadmio se encuentran entre los materiales más utilizados.
Entonces, ¿los puntos cuánticos son nanopartículas?
Sí. Pero no todas las nanopartículas son puntos cuánticos. Solo algunos materiales (como los semiconductores) mostrarán efectos de tamaño cuántico en su estructura electrónica cuando se conviertan en partículas a nanoescala.
¿Por qué ganaron un Nobel?
Desde un punto de vista puramente fundamental, los puntos cuánticos son sustancias notables que cierran la brecha entre la materia a escala atómica y molecular y la materia a granel. Y gracias a sus propiedades ópticas y electrónicas altamente ajustables, los puntos cuánticos han encontrado aplicación en una amplia gama de tecnologías.
¿Qué hicieron los galardonados?
Los investigadores habían predicho desde la década de 1930 que los efectos cuánticos dependientes del tamaño deberían observarse en partículas de unos pocos nanómetros de tamaño. Pero en ese momento no había forma de producir materiales de forma controlada a tan pequeña escala. A medida que avanzaba el siglo XX, las primeras observaciones del efecto se realizaron en películas delgadas y en la superficie de materiales a granel: la parte del premio Nobel de física otorgado a Zhores Alferov y Herbert Kroemer en 2000 reconoció su trabajo en este tipo de heteroestructuras semiconductoras.
A principios de la década de 1980, Alexei Ekimov identificó por primera vez los efectos de tamaño cuántico en nanopartículas, mientras trabajaba en el Instituto Estatal de Óptica Vavilov en San Petersburgo. Estaba llevando a cabo experimentos sobre el dopaje de vidrio con cloruro de cobre. Al variar la temperatura y la velocidad a la que se formó el vidrio, el equipo de Ekimov pudo controlar el tamaño de los cristales de cloruro de cobre que se formaron dentro de la matriz de vidrio. Durante los experimentos de rayos X en estos materiales, notó que la longitud de onda de las líneas de absorción de cloruro de cobre variaba según el tamaño de los cristales, lo que Ekimov atribuyó a los efectos del tamaño cuántico.
Mientras tanto, Louis Brus trabajaba en sistemas coloidales en los que los materiales semiconductores estaban suspendidos en líquidos. En 1983, Brus observó los efectos del tamaño cuántico en sus experimentos con partículas de sulfuro de cadmio, observando que las propiedades ópticas del CdS coloidal habían cambiado de la noche a la mañana porque los cristales se habían disuelto y luego se habían precipitado como cristales aproximadamente tres veces más grandes. Los análisis espectroscópicos revelaron diferencias entre el comportamiento de absorción de los dos conjuntos de cristales, lo que muestra la influencia de los efectos del tamaño cuántico.
En 1993, Bawendi desarrolló un medio para producir cristales de seleniuro de cadmio con un control casi perfecto sobre su tamaño. El método consistía en inyectar precursores organometálicos en un disolvente caliente. Esta técnica de «inyección en caliente» le dio al equipo el control sobre el punto de nucleación del cristal porque la solución se sobresatura muy rápidamente, lo que produce puntos cuánticos con un tamaño casi uniforme. Este descubrimiento abrió la puerta al uso de puntos cuánticos en aplicaciones para mundo real.
¿Qué pasa con la filtración?
A menudo hay controversia en torno a los premios Nobel, generalmente en torno a investigadores que algunos creen que fueron pasados por alto para el premio. Pero este año, un importante tema de conversación gira en torno a la aparente filtración de los nombres de los ganadores horas antes del anuncio oficial.
La selección de los ganadores de los premios Nobel suele estar envuelta en secreto. Pero este año, la emisora sueca SVT informó que había recibido un comunicado de prensa de la Real Academia Sueca de Ciencias nombrando a los ganadores más de cuatro horas antes del anuncio oficial. Es la primera vez que se filtran los ganadores del premio de química antes del anuncio del Nobel. Parece que el correo electrónico fue enviado inadvertidamente, y sin duda habrá causado dolores de cabeza a la academia.
Extracto traducción del artículo de Jamie Durrani publicado en Chemistry World. Jamie Durrani es corresponsal científico sénior de Chemistry World. Informa sobre las últimas investigaciones químicas y temas relacionados, como el medio ambiente, la energía y la política científica.
