¿Qué son los puntos cuánticos y cómo se utilizan en aplicaciones como la detección, las pantallas multicolor y la administración de fármacos?
Definición de Puntos Cuánticos
Si lees artículos de ciencia popular, probablemente hayas encontrado el término «punto cuántico». Aparece en todas partes: «puntos cuánticos» para la administración de fármacos, «puntos cuánticos» para la pantalla multicolor, «láseres de puntos cuánticos»: la lista parece interminable. Entonces, ¿qué es un punto cuántico? En términos generales, es una pequeña estructura hecha de un material sólido. Es tan pequeño (que típicamente consta de 1,000 -10,000 átomos) que un electrón dentro de él está severamente restringido en su movimiento. Ahora, cuando el movimiento de un electrón está tan fuertemente restringido, su energía cinética puede asumir solo ciertos valores permitidos que están determinados por el tamaño y la forma del punto, así como el material que forma el punto.
El arseniuro de galio (GaAs) es un material popular a partir del cual se pueden hacer puntos cuánticos, debido a que la masa efectiva de un electrón y la forma del cristal se correlacionan a temperatura ambiente para formar propiedades deseables. Tenga en cuenta que 1 nanómetro = 10-9 metros, que es aproximadamente 100,000 veces más pequeño que el grosor del cabello humano. Dado que los átomos en GaAs están separados aproximadamente 0,5 nm, un punto cuántico contiene aproximadamente 25,000 átomos.
Una propiedad importante de los puntos cuánticos son sus proporciones excepcionalmente grandes de superficie a volumen. En el caso de un cubo de borde 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 diámetro 0.1 m, la relación es de 60 m-1, pero para un punto cuántico de diámetro de 10 nanómetros (10-8 m), la relación es de 6 × 108 m-1, que es diez millones de veces más grande. La gran relación de superficie a volumen del punto cuántico se utiliza en sensores químicos y biológicos. La actividad de detección típicamente tiene lugar solo en la superficie y no en el interior; por lo tanto, vale la pena tener una gran proporción de superficie a volumen. Puede ser beneficioso reemplazar una partícula grande con varias partículas diminutas o puntos cuánticos.
Para entender esto aún mejor, tenga en cuenta que el volumen de la pelota de baloncesto es 1021 veces mayor que el del punto cuántico que acabamos de describir, por lo que la pelota de baloncesto se puede dividir en 1021 puntos cuánticos. El área de superficie combinada de todos estos puntos es 107 veces más grande que la del baloncesto. Por lo tanto, dividir el baloncesto en puntos cuánticos, resulta en un sensor que es diez millones de veces más efectivo. Es por eso que los puntos cuánticos son tan importantes en aplicaciones como la detección, la administración de fármacos dirigidos y la catálisis, todo lo cual requiere una gran proporción de superficie a volumen.
Los puntos cuánticos también son útiles en pantallas de varios colores. Emiten luz cuando un electrón dentro del punto experimenta una transición de un estado de energía más alta (excitado) a un estado de energía más baja (tierra). El color de la luz emitida depende de la diferencia en las energías de los estados final e inicial, así como del tamaño del punto. Por lo tanto, los puntos cuánticos de diferentes tamaños emitirán diferentes colores de luz. Esta es la base de la pantalla multicolor.
La fabricación de puntos cuánticos con un buen control sobre el tamaño, la pureza del material y la colocación en una superficie dada no es una tarea fácil. Dos enfoques son comunes: el «enfoque de arriba hacia abajo» donde se cincela una gran pieza de material hasta un pequeño punto cuántico mediante el proceso de litografía y grabado. Una ligera variación de este enfoque es la delineación electrostática de puntos cuánticos donde las almohadillas de metal se colocan en una capa delgada de material. Se aplica un potencial negativo a las almohadillas, que alejan los electrones de la parte inferior, 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. Aquí, la congregación espontánea de átomos en estructuras de tamaño bien definido (de unos pocos nanómetros) y forma los puntos cuánticos.
El autoensamblaje dirigido es un refinamiento del proceso, donde la congregación espontánea puede proceder sobre un sustrato con patrón que ofrece sitios preferidos para la nucleación de puntos cuánticos. Esto también se conoce como autoensamblaje basado en plantillas, ya que el sustrato modelado actúa como una plantilla para ordenar espacialmente los puntos cuánticos.
Los puntos cuánticos son entidades fascinantes que se están abriendo paso cada vez más en una gran variedad de productos comerciales y relacionados con la defensa. Se están haciendo rápidos avances en el perfeccionamiento de los métodos de síntesis y se puede esperar ver que los puntos cuánticos impregnan el mercado dentro de la próxima década.
