Moungi Bawendi, Louis Brus y Alexei Ekimov reciben el Premio Nobel por el desarrollo de los puntos cuánticos, una tecnología utilizada en pantallas modernas, diodos emisores de luz y células solares.
Moungi Bawendi, Louis Brus y Alexei Ekimov.
Esto nunca había sucedido antes en los más de cien años de historia de los Premios Nobel. Los nombres de los tres premios Nobel de Química se hicieron públicos a primera hora del miércoles. El presidente del Comité Nobel de Química intentó limitar los daños diciendo que aún no se había tomado la decisión. Pero unas horas más tarde se confirmó oficialmente lo que todos ya sabían.
El Premio Nobel de Química de este año es para Moungi Bawendi, Louis Brus y Alexei Ekimov. Los tres están siendo reconocidos por el descubrimiento y desarrollo de puntos cuánticos. Se trata de partículas de tamaño nanométrico cuyas propiedades eléctricas, magnéticas y ópticas están determinadas por su tamaño.
El trabajo de los tres premiados se remonta a principios de los años 80. Han pasado muchas cosas desde entonces. Los puntos cuánticos hace tiempo que encontraron aplicaciones prácticas. En 2013 se presentó una pantalla LCD que estaba iluminada desde atrás con puntos cuánticos. Unos años más tarde, salieron al mercado los primeros monitores QLED en los que los propios puntos cuánticos generaban los tres colores primarios rojo, verde y azul. Estas pantallas tienen una resolución más alta que la LCD tradicional.
Libertad de movimiento restringida para los electrones.
Los puntos cuánticos son partículas que normalmente constan de miles a cientos de miles de átomos. Esto significa que estas partículas son más pequeñas que un micrómetro y, por tanto, se miden en nanómetros. Por eso también se les llama nanopartículas.
El pequeño tamaño afecta al comportamiento de los electrones en los puntos cuánticos. Dado que su tamaño es aproximadamente tan grande como la longitud de onda de los electrones, entran en juego las propiedades cuánticas de los electrones. A diferencia de los materiales más grandes, los electrones ya no pueden moverse libremente. Su rango de movimiento está limitado en las tres direcciones espaciales. Por lo tanto, al igual que en un átomo, los electrones sólo pueden adoptar estados de energía claramente definidos (discretos). Por eso a los puntos cuánticos también se les llama átomos artificiales.
A principios de los años 1980, los premios de química de este año Louis Brus y Alexei Ekimov lograron crear
– independientemente unos de otros – los puntos cuánticos, que son nanopartículas tan pequeñas que los efectos cuánticos determinan sus características.#Premio Nobel pic.twitter.com/QPd3AhaBeX— El Premio Nobel (@NobelPrize) 4 de octubre de 2023
Al igual que los átomos normales, los átomos artificiales también emiten luz cuando un electrón salta de un nivel de energía superior a uno inferior. Sin embargo, hay una diferencia crucial. En un átomo normal, las líneas espectrales están determinadas por el tipo de átomo; en un átomo artificial hay grados de libertad adicionales. Al variar el tamaño y la forma de los puntos cuánticos, se puede adaptar el color en el que brillan. Esto los hace muy interesantes para diodos emisores de luz y otras aplicaciones ópticas.
El tamaño de los puntos cuánticos determina su color
La investigación sobre los puntos cuánticos comenzó a finales de los años 1970. Uno de los pioneros fue el físico ruso Alexei Ekimov. En aquella época experimentaba con unas gafas a las que “vacunaba” con semiconductores. Descubrió diminutos cristales semiconductores que absorbían luz en longitudes de onda inusualmente cortas. Junto con el físico teórico Alexander Efros, Ekimov pudo demostrar que las propiedades ópticas de los nanocristales se correlacionan con su tamaño.
Casi al mismo tiempo, el estadounidense Louis Brus estudiaba en los laboratorios Bell las nanopartículas que flotaban en un líquido. Al controlar las condiciones de crecimiento en el medio húmedo, pudo producir nanopartículas de sulfuro de cadmio de sólo 4,5 nanómetros de tamaño. Brus comparó las líneas de absorción de estas nanopartículas con las del sulfuro de cadmio extendido y descubrió que cambiaban a longitudes de onda más cortas. Mediante cálculos, Brus pudo atribuir esto a la constricción de los portadores de carga en los nanocristales. Esto demostró que las propiedades ópticas inusuales de los puntos cuánticos son causadas por efectos cuánticos.
Sin embargo, aún no se había pensado en las aplicaciones de los puntos cuánticos. No era posible controlar con suficiente precisión el tamaño y la calidad de los nanocristales.
La receta para los nanocristales perfectos
Aquí es donde entra en juego el tercer premio Nobel. El químico estadounidense Moungi Bawendi logró producir nanocristales casi perfectos en 1993. Su receta para el éxito fue un disolvente cuidadosamente seleccionado y la cantidad adecuada de sustancia de partida. En la solución se formaron innumerables núcleos cristalinos. Al controlar la temperatura de la solución, Bawendi pudo controlar el crecimiento de los cristales. El disolvente aseguró que los nanocristales desarrollaran una superficie uniforme y lisa.
Rápidamente se corrió la voz sobre este método de producción relativamente simple. Otros investigadores también comenzaron a investigar las propiedades de los puntos cuánticos. Pronto siguieron las primeras solicitudes.
Hoy en día, los diodos emisores de luz y los láseres se fabrican a partir de puntos cuánticos. Los puntos cuánticos también pueden demostrar sus ventajas en las células solares. El tamaño permite ajustar la longitud de onda a la que absorben la luz. El objetivo a largo plazo es mezclar puntos cuánticos de diferentes diámetros para utilizar una mayor parte del espectro solar que, por ejemplo, las células solares de silicio.
Los puntos cuánticos también se utilizan en química. Como catalizadores, pueden iniciar reacciones químicas. Por ejemplo, deberían ayudar a producir hidrógeno a partir del agua y la luz solar. Recientemente también se ha investigado el potencial biomédico de los puntos cuánticos. Para ello, se recubre su superficie con proteínas u otras biomoléculas. El objetivo es utilizar los puntos cuánticos así funcionalizados para, por ejemplo, detectar células cancerosas.
Por cierto, Moungi Bawendi, que vive en Estados Unidos, no se dio cuenta de que su nombre circulaba en los medios horas antes del anuncio oficial. Sólo lo despertó de su sueño la llamada del Comité del Premio Nobel, dijo en la rueda de prensa, a la que estuvo conectado por teléfono.