Punti quantici

Se leggi articoli scientifici popolari, probabilmente ti sei imbattuto nel termine “punto quantico”. Appare ovunque – “punti quantici” per la somministrazione di farmaci, “punti quantici” per display multicolori, “laser a punti quantici” – l’elenco sembra infinito. Quindi, cos’è un punto quantico? In parole povere, è una piccola struttura fatta di un materiale solido. È così piccolo (solitamente costituito da 1.000 -10.000 atomi) che un elettrone al suo interno è fortemente limitato nel suo movimento. Quando il movimento di un elettrone è così severamente limitato, la sua energia cinetica può assumere solo determinati valori consentiti che sono determinati dalla dimensione e dalla forma del punto, nonché dal materiale che lo compone.

L'arseniuro di gallio (GaAs) è un materiale popolare utilizzato per creare punti quantici perché il comportamento degli elettroni in questo materiale produce proprietà materiali utili a temperatura ambiente. Nota che 1 nanometro = 10^-9 metro, che è circa 100.000 volte più piccolo dello spessore dei capelli umani. Poiché gli atomi del GaAs sono distanziati di circa 0,5 nm, un punto quantico contiene circa 25.000 atomi.

Una proprietà importante dei punti quantici è il loro rapporto eccezionalmente ampio tra superficie e volume. Nel caso di un cubo di spigolo W, questo rapporto è 6/W; nel caso di una sfera di diametro D il rapporto è 6/D. Il rapporto aumenta man mano che la dimensione del punto (L o P) si riduce. Per un pallone da basket di diametro 0,1 m, il rapporto è 60 m^-1, ma per un punto quantico di diametro 10 nanometri (10^-8 m), il rapporto è 6×10⁸ M^-1, che è dieci milioni di volte più grande. L'ampio rapporto superficie-volume del punto quantico viene utilizzato nei sensori chimici e biologici. L'attività sensoriale avviene tipicamente solo in superficie e non all'interno; pertanto, conviene avere un ampio rapporto superficie-volume. Potrebbe essere utile sostituire una grande particella sensibile con diverse particelle minuscole o punti quantici.

Per illustrare ulteriormente questa idea, nota che il volume della palla da basket è 10²¹ volte più grande di quello del punto quantico che abbiamo appena descritto. Il basket può essere suddiviso in 10²¹punti quantici. La superficie combinata di tutti questi punti è 10⁷ volte più grande di quello del basket. Pertanto, suddividendo la palla da basket in punti quantici, si ottiene un sensore che lo è dieci milioni di volte più efficace. Ecco perché i punti quantici sono così importanti in applicazioni quali il rilevamento, la somministrazione mirata di farmaci e la catalisi, che richiedono tutte un ampio rapporto superficie-volume.

I punti quantici sono utili anche nei display multicolori. Emettono luce quando un elettrone all'interno del punto subisce una transizione da uno stato energetico più elevato (eccitato) a uno stato energetico inferiore (fondamentale). Il colore della luce emessa dipende dalla differenza tra le energie degli stati finale e iniziale che può essere correlata alla dimensione del punto. Pertanto, punti quantici di dimensioni diverse emetteranno luce di colore diverso. Questa è la base dei display multicolori.

Fabbricare punti quantici con un buon controllo su dimensioni, purezza del materiale e posizionamento su una determinata superficie non è un compito facile. Due approcci sono comuni: l’“approccio top-down” in cui un grande pezzo di materiale viene cesellato fino a ridurlo in un piccolo punto quantico utilizzando il processo di litografia e incisione. Una leggera variazione di questo approccio è delineazione elettrostatica dei punti quantici dove i cuscinetti metallici sono posizionati su un sottile strato di materiale. Ai pad viene applicato un potenziale negativo che allontana gli elettroni dal basso, lasciando una piccola pozza di elettroni al centro; questi formano un punto quantico.

Il secondo approccio è “dal basso verso l’alto” ed è noto come autoassemblaggio. Qui la chimica provoca l'aggregazione degli atomi in strutture di dimensioni ben definite (di pochi nanometri) e forma punti quantici.

Autoassemblaggio diretto è un perfezionamento del processo in cui la formazione spontanea di strutture avviene su un substrato modellato che offre siti preferiti per la nucleazione dei punti quantici. Questo è anche indicato come autoassemblaggio basato su modelli poiché il substrato modellato funge da modello per ordinare spazialmente i punti quantici.

I punti quantici sono entità affascinanti che si stanno facendo strada sempre più in un vasto assortimento di prodotti commerciali e legati alla difesa. Si stanno facendo rapidi progressi nel perfezionamento dei metodi di sintesi e puoi aspettarti di vedere punti quantici in molti prodotti che utilizzerai entro il prossimo decennio circa.