El premio Nobel de Química 2023 ha sido para Moungi G. Bawendi, Louis E. Brus y Alexei I. Yekimov por «el descubrimiento y síntesis de los puntos cuánticos» según el anuncio de la Academia Sueca de Ciencias. Los puntos cuánticos son cristales de nanopartículas formadas por unos pocos miles de átomos que presentan distintas propiedades ópticas y electrónicas en función de su tamaño.
Alexei I. Yekimov trabaja desde 1999 en Nanocrystals Technology, New York State. Graduado en física por la Universidad de Leningrado y doctorado por el Instituto Ioffe de la Academia Rusa de Ciencias. En 1981 descubrió los efectos cuánticos asociados al tamaño en nanopartículas de cristales de cloruro de cobre.
Louis E. Brus trabaja en la universidad de Columbia, Estados Unidos. Estudió química en la universidad Rice, Houston, Texas e hizo el doctorado en la universidad de Columbia, New York. En 1973 empezó a trabajar en los laboratorios Bell en nanocristales semiconductores, lo que le llevó a la síntesis química de puntos cuánticos en fase coloidal. En la década de 1980 descubrió los efectos cuánticos dependientes del tamaño en nanopartículas flotando libremente en un fluido.
Moungi G. Bawendi trabaja en el Massachusetts Institute of Technology (MIT), Cambridge, MA, USA. Nacido en París, Francia, su padre era matemático tunecino. Estudió química en la universidad de Harvard, Estados Unidos e hizo el doctorado en la universidad de Chicago. Después trabajó en los laboratorios Bell, donde Louis Brus le introdujo en la investigación de los puntos cuánticos. En 1993 revolucionó la producción de puntos cuánticos creando partículas casi perfectas, calidad necesaria para la tecnología de nanopartículas.
De los cristales de colores a las nanopartículas de colores
En 1979, Alexei Yekimov y su equipo del Vavilov State Optical Institute de San Petersburgo, Rusia, trabajaban con cristales dopados con metales, utilizando el históricamente bien conocido efecto de los colores que se conseguían añadiendo pequeñas cantidades de metales a la masa del vidrio. Dopando el vidrio con pequeñas cantidades de CuCl (cloruro cuproso), ligeramente por encima de su solubilidad en el medio, calentando la mezcla hasta 500 o 700 ºC durante un tiempo entre 1 y 96 horas y bajando después la temperatura hasta 4, 2 K, observaron la aparición de un espectro de luz similar al de láminas delgadas de CuCl pero que variaba según la temperatura y la duración del calentamiento. Con espectroscopia de rayos X detectaron la formación de cristales de CuCl de tamaños entre 2 y 30 nm (nanómetros). Observaron que el color de los cristales dependía de su tamaño, los más grandes emitían luz de color rojo y los más pequeños de color azul. Esto fue interpretado por Yekimov como un efecto cuántico según el cual la longitud de onda más larga, roja, era el resultado del paso de la luz incidente por una partícula mayor, mientras que la onda más corta, azul, se formaba en la partícula más pequeña.
Poco después del trabajo de Yekimov e independientemente de él, Louis Brus, trabajando en los Laboratorios Bell de Estados Unidos, se interesaba en desarrollar reacciones catalizadas por energía solar mediante pequeñas partículas de CdS (sulfuro de cadmio) en suspensión. Las partículas debían ser cuanto más pequeñas mejor, ya que así presentaban mayor superficie de interacción y mejoraban sus cualidades catalíticas. Obtuvo partículas coloidales de entre 4,5 y 12,5 nm de diámetro y observó un diferente comportamiento respecto a la luz: las partículas de 12,5 nm absorbían luz y la emitían tal y como el CdS hace habitualmente, pero las partículas más pequeñas, de 4,5 nm mostraban un color desplazado hacia el azul. Brus publicó sus resultados en 1983 y entendió, al igual que Yekimov años antes, que había descubierto efectos cuánticos ligados al tamaño de las partículas coloidales.
El descubrimiento de Yekimov y Brus abría grandes posibilidades a la química de los materiales. Era como si los átomos de la tabla periódica adquirieran una nueva dimensión: el color de sus compuestos cuando se presentaban en forma de partículas muy pequeñas, del orden de los nanómetros, en estado sólido o en forma coloidal, dependía justamente del tamaño de las partículas. Había sin embargo un inconveniente que solucionar. Las partículas sólidas o coloidales tenían tamaños muy diversos y se presentaban todas juntas. Para sacar provecho de la nueva propiedad descubierta era necesario encontrar el procedimiento mediante el cual se formaran partículas del tamaño adecuado y todas o la mayoría iguales para asegurar la calidad óptica del conjunto.
Creación de nanopartículas perfectas
Moungi Bawendi empezó a trabajar con Louis Brus en 1988 como investigador posdoctoral. Se propuso obtener nanopartículas de tamaño uniforme que asegurara una buena calidad para aplicaciones. Utilizando distintos disolventes, rangos de temperatura y técnicas mejoró la uniformidad de las partículas obtenidas, pero sin llegar a la calidad óptica que se requería. Algunos años después, cuando Bawendi ya tenía su grupo de investigación en el MIT (Massachusetts Institute of Technology) continuó sus trabajos. Introduciendo cantidad suficiente de sustancia para saturar la solución caliente que dará lugar a las nanopartículas, conseguía empezar a formar los embriones de los cristales todos a la vez. Bajando de repente la temperatura y diluyendo la solución se detenía la formación de cristales. Recalentando de nuevo y añadiendo lentamente nueva sustancia se conseguía hacer crecer uniformemente los cristales hasta el tamaño deseado. El procedimiento encontrado por Bawendi y su equipo, publicado en 1993, permitía obtener nanopartículas de tamaño preciso, casi perfectos, de una buena cantidad de sustancias, en forma reproducible.
Aplicaciones de los puntos cuánticos
Treinta años después de la publicación de Bawendi, los puntos cuánticos se encuentran en las pantallas de televisores y ordenadores basadas en la tecnología QLED o en las luces LED de color variable. También se utilizan en bioquímica y medicina, para «mapear» células y órganos o para rastrear tejidos tumorales en un organismo.
Fuentes de información
- The Nobel Prize in Chemistry 2023. https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2023/summary/
- Moungi Bawendi. MIT Chemistry. https://chemistry.mit.edu/profile/moungi-bawendi/
- Louis E. Brus. Columbia University. Department of Chemistry
https://www.chem.columbia.edu/content/louis-e-brus - Alexey Ekimov. Wikipedia. https://en.wikipedia.org/wiki/Alexey_Ekimov