Son los más minúsculos componentes de la nanotecnología, su tamaño determina cuáles son sus propiedades que tienen aplicaciones novedosas que ya se usan y queda todo un mundo por explorar.
Con matraces que contenían sustancias químicas iguales y de distintos colores sobre la mesa se escenificó el anuncio del Premio Nobel de Química 2023, para demostrar con un ejemplo completamente visible por cualquier persona el poder y potencial que tiene la aplicación de partículas invisibles al ojo humano.
Son los quantum dots o puntos cuánticos, partículas que son los más pequeños componentes de la nanotecnología y cuyo tamaño determina su comportamiento, por cuyo descubrimiento y síntesis en el laboratorio Moungi Bawendi, Louis Brus y Alexei Ekimov fueron reconocidos con uno de los máximos galardones del mundo.
La Real Academia Sueca de Ciencias entrega este Nobel cada año y sobre este último, que se dio a conocer el 4 de octubre, declaró que “los investigadores creen que en el futuro podrían contribuir a la electrónica flexible, sensores diminutos, células solares más delgadas y a la comunicación cuántica cifrada, por lo que acabamos de empezar a explorar el potencial de estas partículas diminutas”.
En este sentido, durante su anuncio la institución afirmó que “los puntos cuánticos aportan de esta manera un gran beneficio a la humanidad”, que ya goza de sus propiedades aplicadas a tecnologías comerciales a la mano de cualquier persona como los televisores y lámparas LED.
¿Qué son los puntos cuánticos?, ¿cuáles son sus propiedades?, ¿cómo se aplican?, ¿cuánto ha impactado o impactará sobre el desarrollo de la ciencia?, son las interrogantes cuya respuesta permite comprender la trascendencia de los hitos que este año obtuvieron el Nobel y las aborda el químico analítico Eduardo Pereira, presidente de la Sociedad Chilena de Química y decano de la Facultad de Ciencias Químicas de la Universidad de Concepción (UdeC), donde dirige el Laboratorio de Impresión Molecular y Química Forense.
Lo primero que explica el doctor Pereira es que “los puntos cuánticos son partículas muy pequeñas, están a una escala nanométrica que es de una millonésima de milímetro”.
En términos químicos, añade que son agrupaciones de átomos, primordialmente compuestos químicos, donde no hay más de cientos o miles de átomos. Una cantidad enorme para el conocimiento e imaginario popular en cuanto al mundo de gran tamaño en que nos movemos, pero asegura que “esa cantidad en química es muy poco, por eso se habla de puntos, y tienen un comportamiento que se asocia a lo que la mecánica cuántica predice y por eso son puntos cuánticos”.
Un comportamiento que se traduce en distintas propiedades que varía según su tamaño, siendo la misma sustancia química.
En este sentido, el científico releva que los átomos están compuestos por distintas partículas como son protones, neutrones y electrones, y estos últimos son clave en los puntos cuánticos. Por ende aclara que “en la agrupación de átomos hay que saber que tienen electrones y que la mayoría de las propiedades que derivan de los puntos cuánticos tienen que ver con que estos electrones están encerrados en un espacio o volumen muy pequeño”.
Una de las propiedades más estudiadas, conocida y explorada de los puntos cuánticos, la que protagonizó en el anuncio del Nobel de Química 2023, tiene que ver con el ámbito de la óptica. “Se descubrió que estas partículas, pese a ser el mismo compuesto químico, emiten luz dependiendo de su tamaño”, cuenta el doctor Eduardo Pereira. Es así que las más pequeñas emiten luz azul, mientras las más grandes de color amarillo o rojo.
“Dado que generan luz y son de distinto color tienen gran aplicación en las pantallas LED, que pasaron de ser QLED por los quantum dots”, precisa.
Sobre ello aclara que para su uso en esta aplicación sobre la base de la nanociencia y nanotecnología, también para otras potenciales que se exploran o explorarán, los puntos cuánticos deben ser irradiados con electricidad.
Y es que la óptica no es la única propiedad y eso abre un nuevo mundo a explorar en términos de investigación, desarrollo e innovación para generar impacto y progreso. “Dependiendo del tamaño de estas nanopartículas varían las propiedades eléctricas y cómo se conduce la electricidad, las propiedades térmicas y cómo se conduce el calor, o los puntos de fusión. Y de cada una de esas funciones se pueden encontrar aplicaciones futuras”, afirma.
En este sentido, resalta que se está abordando la mejora de los paneles solares al aplicar estos puntos cuánticos o los materiales conductores de electricidad y calor, y también se podría estar en el área de biomedicina o informática. “Los puntos cuánticos abren un mundo importante de aplicaciones para explorar”, asegura.
El descubrimiento y síntesis de puntos cuánticos tiene una larga historia que este 2023 ven su mayor reconocimiento y hacia el futuro la materialización de su gran potencial de impacto.
La base está en la mecánica cuántica, cuyas teorías explican el comportamiento del microcosmos, mundo invisible al ojo humano que se comporta distinto al macrocosmos que vemos y donde nos desenvolvemos bajo leyes de la física clásica. “Por eso, cuando vamos a mirar e investigar a las partículas más pequeñas se abre una inmensa probabilidad de descubrir cosas que hoy no somos capaces de entenderlas, para luego aplicarlas”, sostiene el doctor Eduardo Pereira.
Y el presidente de la Sociedad Chilena de Química y académico UdeC relata que la existencia de los puntos cuánticos con su variación en función del tamaño lo predijo teorías físicas publicadas en las primeras décadas del siglo XX. Pero, no se pudieron observar hasta muchas décadas después.
Alexei Ekimov, físico ruso, fue el primero que descubrió los puntos cuánticos en la década de 1980. Particularmente, Pereira relata que los observó tras mirar vidrios de distinto color y con el mismo compuesto químico, cloruro de cobre, y notó que los colores eran distintos según el tamaño de los cristales.
Posteriormente, el químico estadounidense Louis Brus probó que los efectos cuánticos de estas partículas dependían de su tamaño.
Hasta entonces era casi imposible modelar a esas partículas tan pequeñas, también era impensado que el conocimiento pudiera tener aplicaciones prácticas, relevó la Academia Sueca de Ciencias en su comunicado. Pero, en 1993 llegaron los resultados del trabajo del químico francés Moungi Bawendi, que desarrolló un método que permitió generar partículas con propiedades cuánticas casi perfectas.
“Ese método fue el gran avance que permitió aplicar y uno de los que se utiliza para producir quantum dots”, asegura el doctor Pereira.
Es evidente dónde están los hitos que permean al Premio Nobel de Química 2023 y sus grandes implicancias, que el científico asevera que son tanto a nivel de la química como de la ciencia en general y sociales.
“Se piensa que si la composición química es la misma, la propiedad de esa materia también. Pero se comprobó que siendo el mismo compuesto químico, variando el tamaño también varía la propiedad”, destaca.
Es una disrupción que impulsa a transformar constructos e imaginarios que terminan marcando el devenir de la ciencia y la sociedad. “Los químicos trabajamos más sobre la base de que si queremos cambiar una propiedad de la materia tenemos que cambiar la composición química. El descubrimiento, de alguna manera, viene a contradecirlo y a decir que hay un rango de trabajo en tamaño que sin cambiar la composición química puedes cambiar las propiedades. Es un paradigma nuevo y también un nuevo desafío. Y así avanza la ciencia”, manifiesta.
Por eso plantea que “tendremos que cambiar ciertas ideas, construcciones mentales y bases científicas que nos permitan tomar otros caminos y desarrollarnos como sociedad. Y creo que eso es súper importante con estos descubrimientos y avances, además de sus aplicaciones posibles”.
Nuevos paradigmas en la concepción de la ciencia que también se patentan en este Nobel. Porque la mecánica cuántica es en su origen un área de la física. De hecho, un físico es de los galardonados en la categoría de química y la cuántica fue la base del Premio Nobel de Física 2023 que abordó la creación de pulsos de luz a escala de attosegundos que es la que rige a los electrones y presentes en los fenómenos cuánticos, mientras en 2022 se reconoció a científicos por cuyos experimentos se pudieron sentar las bases de la información cuántica y desde allí al desarrollo de nuevas tecnologías de la información y comunicación como las supercomputadoras.
Así que se han generado preguntas sobre si este Nobel de Química quedaba más para el de Física, en lo que Pereira reconoce una línea muy fina entre una y otra disciplina, contexto del que resalta que “si esto es física o química son divisiones mentales que hacemos, porque la ciencia es una y por razones prácticas la hemos separado”.
Sin embargo, los distintos fenómenos pueden tener abordajes multi e interdisciplinarios de acuerdo al objetivo que se busque, así como la física cuántica es clave para investigación y aplicaciones en químicas y los puntos cuánticos de la química nutren a la física. Y así pasa con múltiples temas y disciplinas.
Como un ejemplo, el doctor Pereira dice que “la mecánica cuántica se usa para los computadores cuánticos y los puntos cuánticos pueden ser una alternativa, ya que tienen propiedades optoelectrónicas tenemos una nueva partícula que podría ser usada para transmitir información y ser la base de una nueva tecnología que serían computadores de puntos cuánticos”.
Lo que sí queda claro es que la mecánica cuántica está cobrando cada vez mayor relevancia para la ciencia en general y que los impactos de la generación y aplicación de los nuevos conocimientos y tecnologías, finalmente, apuntan a lograr un avance o beneficio que contribuya al bienestar social.