¿Alguna vez te habías imaginado que para cambiar el color de algo tendrías que modificar su tamaño? Los galardonados con este premio sí lo hicieron
Premio nobel de química 2023
El Premio Nobel de Química 2023 se otorgó a Moungi G. Bawendi, Louis E. Brus y Alexei I. Ekimov “por el descubrimiento y desarrollo de quantum dots” [1]. Al igual que el Premio Nobel de Física 2023[2], el Nobel de Química de este año está relacionado con la luz y sus interacciones con la materia. Los trabajos de los galardonados se centran en la interacción de la luz con partículas especiales muy pequeñas nombradas quantum dots (puntos cuánticos) por su tamaño diminuto y los efectos cuánticos que ocurren en ellas.
Quantum dots, semillas de la nanociencia
Para saber qué son los quantum dots y por qué son de colores, primero tenemos que entender qué sucede con la materia cuando se encuentra en partículas muy pequeñas. El tamaño sí importa cuando se habla de nanociencia… Podemos ilustrar esta idea con un ejemplo concreto: si tomamos un grano de sal y lo dividimos a la mitad, cada mitad seguirá conservando las mismas propiedades que el grano de sal original, pero ¿qué pasa si continuamos con este proceso de división? La intuición nos llevaría a pensar que, incluso cuando se rompen en fragmentos diminutos, todos los granos seguirían conservando las propiedades del grano original. No es así, una vez más, la realidad se niega a ser tan simple. A escala muy pequeña (tanto que entramos en el orden de los nanómetros como unidad), toda la materia tiende a comportarse de maneras diferentes, extrañas, ¡anómalas! Y no se debe a ningún cambio químico dentro de la estructura del material, sino a que el número de átomos que conforma la partícula es muy pequeño (algunos miles). La figura 2 muestra una perspectiva de la escala de las nanopartículas (partículas con un tamaño en el orden de los nanómetros).
Este fenómeno es resultado de las interacciones interatómicas que ocurren entre los átomos del material y constituye la base de estudio de la nanociencia. Para ilustrar este concepto, pensemos qué podría esperarse de las interacciones humanas en un bar atestado de gente en comparación con el mismo bar ocupado solamente por diez personas. Estos efectos contraintuitivos en la nano escala son llamados efectos cuánticos, como consecuencia, a las nanopartículas que presentan efectos cuánticos se les llama quantum dots (puntos cuánticos).
Agregando color a la nanotecnología
Una de las implicaciones de los quantum dots es sobre el color. Para explicarlo es necesario comprender qué provoca que las cosas tengan color: la luz. El color de un objeto está vinculado con la interacción de la luz con la materia.
Actualmente, los quantum dots se aplican a diferentes áreas científicas y tecnológicas
La luz, que está compuesta por un amplio espectro electromagnético, llega a las partículas que componen el objeto, estas absorben la mayor parte de la luz de acuerdo con su naturaleza, y la porción no absorbida es emitida por ellas. Si un objeto tiene color, es porque los componentes de ese objeto absorben la luz en todos sus colores, excepto el que emiten. Si una manzana es roja, es porque sus moléculas absorben la luz del sol en el resto de los colores de su espectro electromagnético menos el rojo.
La predicción
Llegamos a la última parada para comprender el Premio Nobel de Química: la predicción de quantum dots.
En la mayoría de los descubrimientos científicos, la posible existencia de muchos fenómenos se conoce mucho antes de mostrarse evidencia práctica. Este descubrimiento no fue la excepción. La predicción de este fenómeno se basa en la física de semiconductores. Un concepto muy importante en este campo es el bandgap, el valor del bandgap dicta qué parte de la luz (es decir, qué colores) puede absorber un material semiconductor. Las ideas de la mecánica cuántica aplicadas a la física de semiconductores apuntaban a que el bandgap de un material aumentaría a medida que se disminuye el tamaño de las partículas de este, lo que a su vez cambiaría según el tamaño de las nanopartículas [3].
En 1937, el físico Herbert Fröhlich ya había predicho (mediante cálculos matemáticos) el comportamiento de este tipo de partículas [3]. Sin embargo, el principal desafío para mostrar la evidencia era construir una estructura tan pequeña con instrumentos tan grandes. Esto sería más complicado que tratar de hornear un pastel con una máquina excavadora. Fue hasta la década de 1970 que se logró demostrar su existencia en la práctica a partir de los experimentos desarrollados por Bawendi, Brus y Ekimov, quienes desarrollaron experimentos para sintetizar y, posteriormente, controlar el crecimiento de nanopartículas [4]. Con esto, finalmente consiguieron controlar el tamaño de las nanopartículas a su conveniencia a través de distintos métodos de síntesis, los cuales se encuentran ya bien establecidos hoy en día.
¿Alguna vez te habías imaginado que para cambiar el color de algo tendrías que modificar su tamaño? Los galardonados con este premio sí lo hicieron
En resumen, modificar el tamaño de las nanopartículas de ciertos materiales implica un cambio en su bandgap, lo que a su vez implica un cambio en el tipo de luz que puede absorber la nanopartícula. Este cambio se refleja en el tipo de luz que emite la nanopartícula, es decir, un cambio en su color. Es así como se puede decir que sintetizar quantum dots es, literalmente, cambiar el color de las nanopartículas mediante la modificación de su tamaño. Este fenómeno resulta sorprendente, ¿alguna vez te habías imaginado que para cambiar el color de algo tendrías que modificar su tamaño? Pues bien, los galardonados con este premio sí lo hicieron.
Actualmente, los quantum dots se aplican a diferentes áreas científicas y tecnológicas como el desarrollo de pantallas QLED, lámparas LED, desarrollo de tecnología cuántica, medicina y fotocatálisis de reacciones químicas [3].
Bibliografía
- Press release. NobelPrize.org. Nobel Prize Outreach AB 2023. Wed. 4 Oct 2023. https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2023/press-release/
- Press release. NobelPrize.org. Nobel Prize Outreach AB 2023. Wed. 4 Oct 2023. https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2023/press-release/
- Scientific Background to the Nobel Prize in Chemistry 2023 Quantum Dots-Seeds of Nanosciences. The Royal Swedish Academy of Sciences. 2023.
- The nobel prize in chemistry 2023-Popular science background. The Royal Swedish Academy of Sciences. 2023.
