Premio Nobel de Química: Puntos cuánticos, un pequeño gran material para el futuro

“Si pensamos en la vida diaria, los puntos cuánticos están llamados a ser la base de aplicaciones para todas las áreas. Esa es la gran aportación de los científicos premiados, porque generaron materiales que no solamente están siendo utilizados, sino que van a tener todavía ampliaciones que aún son inimaginables”. Gabriel Merino, doctor en química e investigador del Cinvestav.

“Por el descubrimiento y desarrollo de los puntos cuánticos”. Ese fue el enunciado que resonó este miércoles en todo el globo después del anuncio del fallo del Premio Nobel de Química 2023 para los científicos Moungi G. Bawendi (Francia-Túnez), Louis E. Brus (Estados Unidos) y Alexei I. Ekimov (Rusia), por un trabajo colaborativo y sumario de más de 40 años sobre estos puntos cuánticos y sus aplicaciones prácticas y avanzadas.

La variación de los efectos cuánticos según el tamaño de las nanopartículas era de conocimiento de la comunidad científica desde mucho tiempo atrás, según contextualiza la Academia Sueca como parte de la información adicional al anuncio del fallo, pero no fue sino hasta 1980 que Alexei Ekimov consiguió recrear algunos efectos cuánticos con nanopartículas de cloruro de cobre y observó cómo su color variaba según el tamaño de cada partícula.

Unos años más tarde, Louis Brus fue el primero en demostrar de manera particular los efectos cuánticos dependientes del tamaño en partículas que flotan libremente en un fluido, un avance más en los logros alcanzados por su colega ruso.

Pero fue hasta 1993, amplía la Academia Sueca, que Moungi G. Bawendi pudo finalmente crear y mantener bajo control los nanocristales semiconductores, o puntos cuánticos, casi perfectos, lo cual permitió su uso para ampliaciones diversas.

Hoy en día es posible observar sus aplicaciones en las pantallas de computadoras y de televisiones basadas en la tecnología QLED. Asimismo, estos puntos cuánticos también se agregan a las lámparas LED, por ejemplo, pero una de las aplicaciones de mayor relevancia es en el campo médico.

A menor tamaño, distintas propiedades

Un punto cuántico es un cristal que regularmente se integra por apenas unos cuantos átomos (entre 10 y algunos cientos) cuyos electrones tienen movimientos restringidos. En términos proporcionales, un punto cuántico tiene una similar relación a un balón estándar de futbol que la que el balón tiene con el tamaño de la Tierra. Cuando las partículas tienen sólo pocos nanómetros de diámetro, el espacio disponible para los electrones se reduce y esto afecta las propiedades ópticas de la partícula.

“Los electrones y los núcleos exhiben un comportamiento cuántico, pero resulta que los aglomerados de átomos, a los que llamamos cúmulos o clusters, también pueden presentar estos efectos. Lo que lograron los galardonados del Premio Nobel en Química de este año es precisamente controlar la síntesis de estas nanopartículas y controlar sus propiedades”, explica a este diario Gabriel Merino, doctor en Química por el Cinvestav e investigador del Departamento de Física Aplicada de la Unidad Mérida de la misma institución educativa.

Estas partículas, menciona, tienen dimensiones en el orden de los nanómetros, donde un nanómetro equivale a una mil millonésima parte de un metro. Cuando se habla de cúmulos, nos referimos a agregados de átomos que se diferencian de moléculas en arreglo ordenado tipo cristalino. Ahora, en particular, un punto cuántico es capaz de confinar el movimiento de los electrones, detalla el entrevistado.

“Esto provoca que sean fotoactivos, es decir, que absorban luz y la emitan después, dando lugar a un color muy específico. Además, hay propiedades ópticas como la luminiscencia que varían con el tamaño de la partícula”.

De la TV a la medicina, al medio ambiente

Las aplicaciones van más allá de pantallas de televisión. Por ejemplo, en algunas especialidades médicas, señala Merino, los puntos cuánticos sirven principalmente para la exploración y mapeo del tejido biológico, una práctica efectiva para fines preventivos y también son auxiliares en procedimientos quirúrgicos muy específicos que requieren de un tratamiento preciso.

“Si uno es capaz de colocar esos puntos cuánticos en ciertas partes de la célula, se puede identificar un daño, como un crecimiento anormal o la deficiencia de algún componente”, detalla.

En México, comparte, hay laboratorios enfocados en el desarrollo e investigación de los puntos cuánticos, en la UNAM y en el propio Cinvestav, por ejemplo.

“La investigación en puntos cuánticos inició a mediados de la década de 1980, pero aún estamos por descubrir muchas de sus aplicaciones. Por ejemplo, se pueden fabricar paneles solares mucho más eficientes (…) y en el ámbito del calentamiento global también serán importantes puesto que se podrán desarrollar nanoestructuras que emitan luz a una frecuencia capaz de romper moléculas de CO2”.

Un material con futuro

Los puntos cuánticos aportan el mayor beneficio a la humanidad. Los investigadores creen que en el futuro podrían contribuir a la electrónica flexible, sensores diminutos, células solares más delgadas y comunicación cuántica cifrada, por lo que acabamos de comenzar a explorar el potencial de estas partículas diminutas.

¿Sabías que…?

Este sábado 7 de octubre, se cumplen tres años del fallecimiento del doctor Mario Molina-Pasquel Henríquez (Ciudad de México, 1943), el ingeniero químico mexicano que ganó el Premio Nobel de Química en 1995, junto con Sherwood Rowland, por ser pioneros en establecer la relación entre el agujero de ozono y los compuestos de cloro y de bromuro en la estratosfera.