Qué son y para qué sirven los puntos cuánticos que descubrieron los ganadores del Premio Nobel de Química 2023
El Premio Nobel de Química 2023 recompensó este miércoles a los descubridores de puntos cuánticos, los científicos Moungi Bawendi, Louis Brus y Alexei Ekimov.
Se trata de un tipo de nanopartículas fundamentales en las nuevas pantallas de televisión y la cirugía tumoral, que podrían ser claves en el futuro para la computación cuántica y nuevas fuentes de energía.
¿Qué es un punto cuántico?
Las propiedades de los materiales normalmente dependen de los elementos que los componen.
Las propiedades de un material simple, como un átomo de hierro, dependen del número de electrones que orbitan alrededor de su núcleo.
Pero en 1937 un físico inglés, Herbert Fröhlich, postuló que a escala nanométrica (una milmillonésima de metro), las propiedades de una partícula responden a las leyes de la física cuántica.
A dicha escala, las propiedades de un electrón activado, por ejemplo con luz infrarroja, dependen del espacio por el cual se desplaza.
"Cuanto más pequeño es el espacio, mayor es la energía de los electrones", explicó el profesor Heiner Linke, miembro del Comité Nobel de Química. Como consecuencia, la luz que emitirá cuando se activa "se inclinará hacia el azul en un espacio más pequeño y hacia el rojo en un espacio más grande".
El único problema en la época de Herbert Fröhlich era la imposibilidad de fabricar materiales a una escala tan pequeña y medir sus propiedades. Habría que esperar más de cuarenta años para lograrlo.
¿Quién descubrió qué?
El ruso Alexei Ekimov y el estadounidense Louis Brus fueron los primeros en descubrir materiales de puntos cuánticos, cuya fabricación controlada fue posteriormente posible gracias al tercer miembro del trío premiado el miércoles, el tunecino-estadounidense Moungi Bawendi.
Alexei Ekimov hizo su descubrimiento en el Instituto de Óptica Vavilov a principios de la década de 1980.
En ese momento, este físico estaba trabajando en nanocristales de vidrio coloreado y "dopados" con una mezcla de cobre y cloro.
El científico observó que emitían luz más o menos roja o azulada según el tamaño de los cristales. Sin embargo, se enfrentó al problema de que este descubrimiento se aplicaba a un material "inamovible", sin posibilidad de manipulación posterior.
En ese mismo momento, y sin conocer los trabajos de Ekimov, el equipo estadounidense de Louis Brus estaba investigando la síntesis de nanopartículas en un coloide, una solución líquida que podía modificarse.
Brus encontró pruebas de efectos a nivel cuántico trabajando en cristales de sulfuro de cadmio.
"Durante mucho tiempo se pensó que no se podrían crear partículas, pero lo lograron", señaló el profesor Johan Aqvist, miembro del Comité Nobel.
Sin embargo, para que estas nanopartículas fueran útiles, "era necesario poder fabricarlas con un control extremo de su tamaño".
El químico Moungi Bawendi se adelantó en su laboratorio en el Instituto de Tecnología de Massachusetts.
En 1993, descubrió en un coloide la forma de controlar de manera precisa, mediante un calentamiento específico, la formación de nanocristales. Esto "abrió la puerta a su aplicación", continuó Aqvist.
¿Para qué sirve?
Los puntos cuánticos se encuentran en las pantallas QLED, la última generación de televisores, donde los nanocristales emiten diferentes colores según su tamaño.
Esto permite "mejorar la resolución de la pantalla y mantener la calidad del color durante más tiempo", explica Cyril Aymonier, director del Instituto de Química de la Materia Condensada de Burdeos.
Sin embargo, hay un problema: "muchos de los puntos cuánticos utilizados hoy están hechos a base de cadmio", un metal pesado tóxico conocido por ser carcinogénico, señala este investigador francés cuyo laboratorio trabaja en puntos cuánticos basados en "nuevos elementos no tóxicos".
En medicina, los puntos cuánticos son útiles para diagnósticos por imágenes. Dependiendo de su tamaño, el color cambia para marcar, por ejemplo, "la vascularización de un tumor" canceroso, explicó el profesor Aqvist.
En el futuro, la investigación promete otras aplicaciones, empezando por paneles solares más eficientes y menos costosos.
"Actualmente, los paneles fotovoltaicos solo absorben una parte de la radiación solar. Pero a partir de estos nanocristales, podríamos desarrollar paneles solares que absorban todo el espectro de luz", apunta Cyril Aymonier.
Se esperan otras aplicaciones para las computadoras cuánticas, con capacidades de cálculo gigantescas, o para las comunicaciones cuánticas ultraseguras.
