Puntos cuánticos

Si lees artículos de divulgación científica, probablemente te hayas encontrado con el término "punto cuántico". Aparece en todas partes: “puntos cuánticos” para la administración de medicamentos, “puntos cuánticos” para pantallas multicolores, “láseres de puntos cuánticos”; la lista parece interminable. Entonces, ¿qué es un punto cuántico? A grandes rasgos, se trata de una estructura diminuta hecha de un material sólido. Es tan pequeño (normalmente consta de entre 1.000 y 10.000 átomos) que el movimiento de un electrón en su interior está severamente restringido. Cuando el movimiento de un electrón está tan severamente restringido, su energía cinética sólo puede asumir ciertos valores permitidos que están determinados por el tamaño y la forma del punto, así como por el material que lo compone.

El arseniuro de galio (GaAs) es un material popular utilizado para fabricar puntos cuánticos porque el comportamiento de los electrones en este material produce propiedades materiales útiles a temperatura ambiente. Tenga en cuenta que 1 nanómetro = 10^-9 metro, que es aproximadamente 100.000 veces más pequeño que el grosor del cabello humano. Dado que los átomos del GaAs están separados aproximadamente 0,5 nm, un punto cuántico contiene alrededor de 25.000 átomos.

Una propiedad importante de los puntos cuánticos es su relación superficie-volumen excepcionalmente grande. En el caso de un cubo de arista W, esta relación es 6/W; en el caso de una esfera de diámetro D, la relación es 6/D. La relación aumenta a medida que la dimensión del punto (W o D) se hace más pequeña. Para una pelota de baloncesto de 0,1 m de diámetro, la relación es 60 m^-1, pero para un punto cuántico de diámetro 10 nanómetros (10^-8 m), la relación es 6×10⁸ metro^-1, que es diez millones de veces más grande. La gran relación superficie-volumen del punto cuántico se utiliza en sensores químicos y biológicos. La actividad sensorial normalmente tiene lugar sólo en la superficie y no en el interior; por lo tanto, vale la pena tener una gran relación superficie-volumen. Puede resultar beneficioso sustituir una partícula sensora grande por varias partículas diminutas o puntos cuánticos.

Para ilustrar aún más esta idea, observe que el volumen de la pelota de baloncesto es 10²¹ veces mayor que el del punto cuántico que acabamos de describir. La pelota de baloncesto se puede dividir en 10.²¹puntos cuánticos. El área de superficie combinada de todos estos puntos es 10⁷ veces mayor que el del baloncesto. Por lo tanto, dividir la pelota de baloncesto en puntos cuánticos da como resultado un sensor que es diez millones de veces más eficaz. Es por eso que los puntos cuánticos son tan importantes en aplicaciones como la detección, la administración dirigida de fármacos y la catálisis, todas las cuales requieren una gran relación superficie-volumen.

Los puntos cuánticos también son útiles en pantallas multicolores. Emiten luz cuando un electrón dentro del punto sufre una transición de un estado de mayor energía (excitado) a un estado de menor energía (base). El color de la luz emitida depende de la diferencia de energías de los estados final e inicial que puede estar relacionada con el tamaño del punto. Por lo tanto, los puntos cuánticos de diferentes tamaños emitirán luz de diferentes colores. Esta es la base de las pantallas multicolores.

Fabricar puntos cuánticos con buen control sobre el tamaño, la pureza del material y la ubicación en una superficie determinada no es una tarea fácil. Son comunes dos enfoques: el "enfoque de arriba hacia abajo", en el que una gran pieza de material se cincela hasta convertirla en un pequeño punto cuántico mediante el proceso de litografía y grabado. Una ligera variación de este enfoque es Delineación electrostática de puntos cuánticos. donde se colocan almohadillas metálicas sobre una fina capa de material. Se aplica un potencial negativo a las almohadillas que aleja los electrones de debajo, dejando un pequeño charco de electrones en el centro; estos forman un punto cuántico.

El segundo enfoque es “de abajo hacia arriba” y se conoce como autoensamblaje. En este caso, la química provoca la agregación de átomos en estructuras de tamaño bien definido (de unos pocos nanómetros) y forma puntos cuánticos.

Autoensamblaje dirigido es un refinamiento del proceso en el que se produce la formación espontánea de estructuras sobre un sustrato modelado que ofrece sitios preferidos para la nucleación de puntos cuánticos. Esto también se conoce como autoensamblaje basado en plantillas ya que el sustrato estampado actúa como plantilla para ordenar espacialmente los puntos cuánticos.

Los puntos cuánticos son entidades fascinantes que se están abriendo camino cada vez más en una gran variedad de productos comerciales y relacionados con la defensa. Se están logrando rápidos avances en el perfeccionamiento de los métodos de síntesis y puede esperar ver puntos cuánticos en muchos productos que utilice durante la próxima década.