Embedded Files
En lel vast i fascinant regne de l'infinitesimal, on les lleis de la física s'entrellacen amb el món del quàntic, sorgeixen els punts quàntics, diminuts herois de la revolució tecnològica. Imagina un món on els colors no són simples matisos, sinó una dansa encantada de llum a escala nanomètrica. Benvingut al meravellós món dels punts quàntics o quantum dots (QDs) en anglés!
Tal és la importància actual d'aquests compostos que Moungi G. Bawendi, Louis E. Brus i Alexei I. Ekimov han sigut guardonats amb el Nobel de Química 2023 pel descobriment i la síntesi de punts quàntics [1]. En la dècada de 1980, el físic rus Alexei I. Ekimov es va convertir en el pioner en descobrir els punts quàntics en cristalls. Anys després, el químic nord-americà Louis E. Brus va aconseguir demostrar que les partícules que flotaven lliurement en un líquid presentaven efectes quàntics i variaven segons la seua grandària. I va ser en 1993 que el químic francés Moungi Bawendi va revolucionar la producció química de punts quàntics, creant partícules gairebé perfectes. Així que no és sorprenent que aquest estudi s'haja colat entre els premis més reconeguts de la ciència, ja que és una tecnologia revolucionària, que està avançant ràpidament.
La seua història es remunta a les primeres investigacions sobre propietats quàntiques dels materials en la dècada de 1980, quan els científics van començar a explorar com els electrons es comportaven en estructures nanomètriques. Però és en el segle XXI, quan s'incrementa l'avanç tecnològic, i els punts quàntics es converteixen en protagonistes.
Els punts quàntics són partícules semiconductores molt xicotetes, de l'ordre de 2 a 10 nm. També se'ls denomina "àtoms artificials" a causa de la seua singular capacitat per ajustar la seua grandària i composició, la qual cosa permet obtenir propietats òptiques específiques. Estan compostos per un nucli de material inorgànic, el qual pot ser recobert i modificat segons el procés de síntesi i l'aplicació prevista. Quan es busca aconseguir una eficiència quàntica elevada, és habitual envoltar el nucli/core amb un material de banda prohibit més àmplia (cortesa/shell) amb la finalitat de disminuir la interacció entre l'excitó i la superfície de la nanopartícula, millorant així l'eficiència quàntica.
Quan es tracta de matèria d'una grandària tan reduïda, aquesta es regeix per les teories quàntiques (mai més ben dit) i això permet el confinament dels electrons, és a dir, estan restringits a moure's en una regió molt xicoteta. Els QDs tenen nivells d'energia discrets, la qual cosa implica que existeix una separació petita i finita entre els nivells d'energia. Quan s'exciten (absorbint energia), l'electró del punt quàntic salta a nivells d'energia més alts. En el moment que l'electró excitat retorna a un nivell d'energia més baix, el punt quàntic emet un fotó del mateix energia que va absorbir originalment.
El color de la llum emesa depèn de l'energia que separa les bandes (bandgap) i varia d'un punt quàntic a un altre segons el seu tamany [2]. Un punt quàntic xicotet té un bandgap més gran, per la qual cosa necessita més energia per excitat el seu electró. Com la freqüència de la llum emesa és proporcional a l'energia, els punts quàntics xicotets emeten radiació de major energia o freqüència, és a dir, longituds d'ona més curtes. Al contrari, a mesura que augmenta el tamany dels punts quàntics, la partícula emetrà fotons amb menor energia, la qual cosa ens permet navegar per l'extens espectre electromagnètic.
¡Al gra! Els punts quàntics poden absorbir llum d'un continu d'energies, però a causa del seu reduït tamany emeten a energies discretes, és a dir, molt concretes. Segurament, una de les aplicacions més conegudes és en les televisions, les anomenades QLED, però açò no es queda només ahí. La nanotecnologia s'ha convertit en una part essencial en diversos camps de la ciència, a causa de les seues excepcionals propietats òptiques. Els podem trobar en cel·les solars (tema bastant atractiu actualment), sensors, biomedicina, fotocatàlisi, generació d'hidrogen, etc. En les tècniques d'imatge, els punts quàntics han transformant la qualitat de les pantalles, especialment amb la tecnologia QLED. Integrant punts quàntics en televisors i monitors, s'aconsegueix una reproducció de colors més precisa i vibrant, millorant significativament l'experiència visual.
En l'àmbit mèdic, els QDs han trobat aplicació en la detecció precoç de malalties. Dissenyats per unir-se a biomolècules específiques, permeten una visualització de cèl·lules i teixits, facilitant diagnòstics més precisos. A causa del seu nucli inorgànic i la seua superfície modificable (tipus core-shell), per atorgar-li una biocompatibilitat, els converteix en sondes d'imatge excel·lents a llarg termini.
A més a més, la investigació s'ha centrat en utilitzar punts quàntics en cel·les solars per millorar l'eficiència de la conversió d'energia solar en electricitat, la qual cosa podria tenir implicacions importants per a l'energia sostenible. En conclusió, els punts quàntics no són simplement partícules diminutes; són joies tecnològiques que han transformat la manera en què interactuem amb el món que ens envolta. Amb cada avanç, ens acostem a un futur on la llum, manipulada a nivell quàntic, continua il·luminant nous camins cap a descobriments sorprenents.
Referències:
[1] The Nobel Prize in Chemistry 2023. NobelPrize.org. Nobel Prize Outreach AB 2023. Wed. 18 Oct 2023. https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2023/summary/
[2] Suresh C. Ameta. (2023). Introduction in Quantum Dots: Fundamentals, Synthesis and Applications. Elsevier, 1-13.
Estructura d’un punt quàntic tipus “core-shell”
Sobre l'autora
Sobre l'autora
Carolina Fernández-Saiz.
Graduada en Química por la Universitat Jaume I y actual investigadora predoctoral del grupo de Crecimiento Cristalino (especializada en óxidos avanzados) del Departamento de Física Aplicada y Electromagnetismo de la Universidad de Valencia.
Page updated
Google Sites
Report abuse