Los puntos cuánticos son un tipo de átomo artificial: de sólo unos pocos nanómetros de tamaño y fabricados de materiales semiconductores, pueden emitir luz de un determinado color o incluso fotones individuales, lo cual es importante para las tecnologías cuánticas. Los descubridores y pioneros de la producción comercial de puntos cuánticos recibirán el Premio Nobel de Química en 2023. En los últimos años, los puntos cuánticos fabricados a partir de perovskita han atraído especial atención. Las perovskitas pertenecen a una clase de materiales que tienen una estructura similar a la del mineral perovskita (titanato de calcio). Los puntos cuánticos hechos de estos materiales fueron producidos por primera vez por ETH Zurich en 2015. Estos puntos cuánticos hechos de nanocristales de perovskita se pueden mezclar con líquidos para formar una dispersión, lo que los hace más fácilmente procesables. Además, sus propiedades ópticas especiales los hacen brillar más que muchos otros puntos cuánticos. También se pueden producir a un coste menor, lo que los hace interesantes para aplicaciones en pantallas, por ejemplo.
Un equipo de investigadores dirigido por Maxim Kovalenko en ETH Zurich y Empa, en colaboración con sus homólogos de Ucrania y Estados Unidos, ha demostrado cómo estas prometedoras propiedades de los puntos cuánticos de perovskita pueden mejorarse aún más. Utilizaron métodos químicos para el tratamiento de superficies y efectos de la mecánica cuántica que no se habían observado previamente en los puntos cuánticos de perovskita. Los investigadores publicaron recientemente sus hallazgos en dos artículos en la prestigiosa revista científica Nature.
Los átomos infelices reducen el brillo
El brillo es una métrica importante para los puntos cuánticos y está relacionada con la cantidad de fotones que el punto cuántico emite por segundo. Los puntos cuánticos emiten fotones de un determinado color (y, por tanto, de su frecuencia) después de ser excitados, por ejemplo, por luz ultravioleta de mayor frecuencia. Esto crea un excitón compuesto por un electrón, que ahora puede moverse más libremente, y un agujero (es decir, un electrón faltante) en la estructura de bandas activa del material. El electrón excitado puede volver a un estado de menor energía y así combinarse con el agujero. Si la energía liberada durante este proceso se convierte en un fotón, el punto cuántico emite luz.
Pero esto no siempre funciona. «En la superficie de los nanocristales de perovskita se encuentran átomos infelices a los que les falta su vecino en la red cristalina», explica el investigador principal Gabriel Raynaud. Estos átomos marginales desequilibran los portadores de carga positivos y negativos dentro del nanocristal y pueden hacer que la energía liberada durante la recombinación se convierta en vibraciones de la red en lugar de emitirse como luz. Como resultado, el punto cuántico «parpadea», es decir, no brilla continuamente.
Una capa protectora hecha de fosfolípidos.
Para evitar que esto suceda, Kovalenko y su equipo desarrollaron moléculas especialmente diseñadas conocidas como fosfolípidos. “Estos fosfolípidos son muy similares a los liposomas, donde, por ejemplo, se incorpora una vacuna de ARNm contra el coronavirus de tal forma que se estabiliza en el torrente sanguíneo hasta llegar a las células”, explica Kovalenko. Hay una diferencia importante: los investigadores optimizaron sus moléculas para que la parte polar, o eléctricamente sensible, de la molécula se adhiera a la superficie de los puntos cuánticos de perovskita, asegurándose de que los átomos «infelices» tengan un compañero de carga.
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