El premio Nobel de Química de 2023 ha sido otorgado a las modernas tecnologías de puntos cuánticos, de gran interés en electrónica, la nanotecnología, la imagenología médica y ciencia de materiales en general.
Se trata de un Nobel de Química y no de Física porque lo que se premia no es el descubrimiento del punto cuántico (aunque también, en la persona del físico ruso Alexei Ekimov) sino, sobre todo, los métodos para fabricar nanocristales que se comportan como puntos cuánticos, siendo uno de los más importantes el coloidal. (El Nobel lo ha compartido Ekimov con los químicos Moungi Bawendi Louis Brus). Otros métodos de fabricación son el autoensamblaje y la activación eléctrica).
Síntesis coloidal
La síntesis coloidal permite obtener nanocristales semiconductores extremadamente pequeños y con la composición adecuada para tener las propiedades ópticas y electrónicas de los puntos cuánticos.
Se parte de precursores como el sulfuro de plomo, el seleniuro de plomo, el seleniuro de cadmio, el sulfuro de cadmio, el telururo de cadmio, el arseniuro de indio, el fosfuro de indio, el sulfuro-seleniuro de cadmio o perovskitas. Se llaman precursores porque a partir de ellos se van a obtener los metales o semiconductores deseados. Se necesitan también un disolvente y ciertos reactivos químicos como agentes reductores, surfactantes y ligandos.
La elección del disolvente va a depender del tipo de punto cuántico que se desean sintetizar, pero habitualmente es agua, tolueno, hexano y otros orgánicos típicos.
A la disolución se le agrega un agente reductor para obtener los átomos metales o semimetálicos individuales (monómeros) que posteriormente se van a nuclear para formar los nanocristales.
El control de la temperatura es esencial. La síntesis coloidal ha de llevarse a cabo a una temperatura específica y controlada, que puede variar dependiendo del sistema de puntos cuánticos que quiere sintetizar. Debe ser lo suficientemente alta como para permitir el reordenamiento y el recocido de los átomos durante el proceso de síntesis pero lo suficientemente baja como para facilitar el crecimiento de los nanocristales.
Hay que evitar la aglomeración de los puntos cuánticos y garantizar su estabilidad coloidal, para lo cual se agregan surfactantes y ligandos a la disolución. Estos compuestos recubren la superficie de los puntos cuánticos y evitan que se unan unos a otros.
La síntesis se sigue mediante técnicas de caracterización como la espectroscopía UV-Vis, espectroscopía de fluorescencia y difracción de rayos X. El tiempo de reacción y la concentración de reactivos se ajustan para controlar el tamaño y las propiedades de los puntos cuánticos. El proceso de crecimiento de los nanocristales depende de la concentración de monómeros y puede ocurrir en dos regímenes diferentes: “enfoque” y “desenfoque”, en el sentido de que las distribuciones de tamaños sean más o menos homogéneas.
Una vez completada la síntesis los puntos cuánticos se purifican para eliminar impurezas y se aislan mediante centrifugación o filtración. Finalmente se almacenan en condiciones adecuadas, como baja temperatura y protección contra la luz para evitar su degradación. Estos puntos cuánticos pueden contener de 100 a 100000 átomos.
La gran ventaja de la síntesis coloidal es que pueden obtenerse de forma económica grandes cantidades de puntos cuánticos, lo que hace que este técnica sea muy prometedora comercialmente.
