Un Nobel molt «puntual»

La Reial Acadèmia de Ciències de Suècia va anunciar el 4 d’octubre passat el premi Nobel de química 2023, que enguany ha estat concedit a Moungi G. Bawendi, Louis E. Brus i Alexei I. Ekimov.

La contribució d’aquests investigadors se centra en alguna cosa que sona treta d'una novel·la de ciència-ficció: els punts quàntics o, en anglès, quantum dots, unes nanopartícules diminutes que seran claus en l'avanç de la ciència de materials.

Foto interpretativa de Quantum Dots feta per Dall-E

Com que soc un fan del departament de comunicació de la Reial Acadèmia de Ciències de Suècia, reprodueixo la nota de premsa que va compartir:

«S’ha premiat el descobriment i el desenvolupament de punts quàntics, nanopartícules tan petites que la seva mida en determina les propietats. Aquests nanocomponents, molt singulars i paradigmàtics al món de la nanotecnologia, difonen la seva llum i propietats en els televisors i làmpades LED, i també poden guiar els cirurgians quan extirpen teixit tumoral, entre moltes altres coses.

»Tots els que estudien química aprenen que les propietats d’un element es regeixen pel nombre d’electrons que té. Tanmateix, quan la nanotecnologia es redueix a nanodimensions sorgeixen fenòmens quàntics; aquestes propietats es regeixen per la mida de la nanotecnologia. Els premis Nobel de química 2023 han aconseguit partícules nanotecnològiques tan petites que les seves propietats nanotecnològiques venen determinades per fenòmens quàntics. Les partícules, que s’anomenen punts quàntics, tenen ara una gran nanotecnologia.

»"Els punts quàntics tenen moltes propietats fascinants i inusuals. És important destacar que tenen colors diferents segons la seva mida", va dir Johan Åqvist, president del Comitè Nobel de Química.

»Els físics sabien des de feia temps que en teoria els efectes quàntics depenents de la mida podien sorgir en nanopartícules, però en aquell moment era gairebé impossible esculpir en nanodimensions. Per tant, poques persones creien que aquests coneixements es posarien en pràctica.

»Tanmateix, a principis dels anys vuitanta, Alexei Ekimov va aconseguir crear efectes quàntics depenents de la mida en vidres de colors. El color provenia de nanopartícules de clorur de coure i Ekimov va demostrar que la mida de les partícules afectava el color del vidre mitjançant efectes quàntics. Uns anys més tard, Louis Brus va ser el primer científic del món a demostrar efectes quàntics depenents de la mida en partícules que flotaven lliurement en un fluid.

»El 1993, Moungi Bawendi va revolucionar la producció química de punts quàntics, donant lloc a partícules gairebé perfectes. Aquesta alta qualitat era necessària perquè poguessin ser utilitzades en aplicacions.

»Els punts quàntics s'han convertit en una eina versàtil amb una àmplia gamma d'usos pràctics. Per exemple, ara il·luminen monitors d'ordinador i pantalles de televisió basades en la tecnologia QLED. Gràcies a la capacitat per programar la reactivitat de les seves superfícies i a les seves propietats òptiques úniques, aquests nanomaterials es poden utilitzar per crear sondes òptiques especialitzades en la detecció de substàncies químiques i biològiques. A més, les seves característiques electroòptiques han estat claus per innovar en la creació de fonts de llum làser o sensors ultrasensibles.

»El seu impacte va més enllà de la simple millora de la qualitat d'imatge; també tenen aplicacions mèdiques significatives. Els bioquímics i els metges les utilitzen per cartografiar el teixit biològic. També s'estan fent servir de guies lluminoses per a cirurgians en el delicat procés d'extirpar teixit tumoral, augmentant les possibilitats de tenir èxit en el procediment.

»El grau de control que permet aquesta tecnologia és sorprenent. Per exemple, es poden crear cristalls increïblement petits però gairebé perfectes en la seva estructura, la qual cosa millora substancialment les seves propietats. Aquesta perfecció cristal·lina és clau per al rendiment i la fiabilitat d'aquests materials en aplicacions pràctiques.

»Així, els punts quàntics suposen un gran benefici a la humanitat. Els investigadors creuen que en el futur podrien contribuir a l'electrònica flexible, sensors petits, cèl·lules solars més primes i comunicació quàntica xifrada, etc.

»Així que acabem de començar a explorar el potencial d’aquestes partícules minúscules».

Podeu sentir les primeres reaccions dels guardonats, en els pòdcasts de l’Acadèmia sueca:

Ja n’havíem parlat…

Doncs sí, en aquest blog ja n’havia parlat, d’aquests sorprenents i fascinants materials al post La nanotaula periòdica: les sorprenents (i diferents) propietats dels nanomaterials. Reprodueixo part de l’entrada… que al final és meva ;D

«Un dels nanomaterials més singulars, potser el material nano més "pur", són els punts quàntics, material de pocs nanòmetres de diàmetre, en què la seva matèria pràcticament es concentra en un sol punt (en altres paraules, té zero dimensions). Com a resultat, les partícules del seu interior que transporten electricitat (electrons i forats, que són els llocs en què falten electrons) estan atrapades, "restringides", i tenen nivells d'energia ben definits segons les lleis de la teoria quàntica, una mica com els àtoms individuals. Estan fets d'un semiconductor com el silici (un material que no és realment un conductor ni un aïllant, però que pot ser tractat químicament perquè es comporti com si ho fos). I encara que són cristalls, es comporten més com a àtoms individuals –d’aquí el sobrenom d'àtoms artificials…»

I també vaig compartir un vídeo que explica què són els punts quàntics:

Com veieu aquestes minúscules partícules ens permeten «dissenyar a la carta» les seves propietats. Es converteixen en peces de Lego per construir de forma personalitzada. I podem treure partit del fet que, controlant factors com la mida, es pot determinar la freqüència i el color de la llum que emeten.

Els punts quàntics tenen només uns pocs nanòmetres (nm) d'amplada. Els punts més grans produeixen longituds d'ona més llargues, freqüències més baixes i llum més vermella. Els punts més petits produeixen longituds d'ona més curtes, freqüències més altes i llum més blava.

Podem afirmar que els nanomaterials estan cridats a proporcionar solucions a alguns dels problemes existents. Hem comprovat com la nanotecnologia està ajudant a millorar considerablement, i fins i tot revolucionar, molts sectors tecnològics i industrials. Les indústries de l'energia, les tecnologies de la informació i, sobretot, de la medicina, estan evolucionant i fins i tot canviant gràcies a la introducció present i futura de nous materials que operen en la nanoescala, minúsculs materials amb extraordinàries propietats destinats a marcar el camí de les noves aplicacions industrials.

Excitó i punts quàntics: això es complica

Abans de seguir, vull compartir un nou vídeo que explica què són els punts quàntics, com funcionen i quines aplicacions tenen:

I ara, parlem de química i nanotecnologia.

Un dels termes més popular al món nano és l'efecte de confinament quàntic, que es deu essencialment als canvis en l'estructura atòmica com a resultat de la influència directa de l'escala de longitud ultrapetita en l'estructura de la banda d'energia.

L'escala de longitud correspon al règim de confinament quàntic que oscil·la entre 1 i 25 nanòmetres per als grups de semiconductors típics de IV, III-V i II-VI, i on l'extensió espacial de la funció d'ona electrònica és comparable amb la mida de la partícula.

Quan la mida de les nanopartícules és bastant més gran en comparació amb el radi de Bohr, el confinament és molt feble.

El terme confinament quàntic es refereix principalment a l'energia dels electrons confinats (electrons o forats). Els nivells d'energia dels electrons en els nanocristalls no romandran continus com en el cas dels materials macro. A més, s'obtenen les funcions d'ona d'electrons confinats, convertint-se en un conjunt discret de nivells d'energia. Aquest tipus d'efectes apareixen quan les dimensions del potencial s'acosten gairebé a la longitud d'ona dels electrons de De Broglie i donen lloc a canvis o nivells d'energia discrets. L’efecte es defineix com a confinament quàntic i, en conseqüència, els nanocristalls sovint s'anomenen punts quàntics (QD). A més, aquest efecte QD influeix en les propietats del nanomaterial, com ara el comportament elèctric, òptic i mecànic del material. Aquest canvi de comportament és degut a la peculiar natura del nanomaterial, que posseeix electrons d'energia més gran que els del material macro. Depenent de la mida dels QD, els electrons confinats tenen una energia més alta que els electrons dels materials macro.

Com a resultat d'aquestes restriccions «geomètriques», els electrons «senten» la presència dels límits de les partícules i responen als canvis en la mida de les partícules ajustant la seva energia. Aquest fenomen es coneix com a efecte de mida quàntica. Els efectes de quantificació esdevenen més importants quan la dimensió de les partícules d'un semiconductor (nano) s’apropa o és inferior al radi d'excitó de Bohr del semiconductor (macro), que fa que les propietats dels materials depenguin de la mida.

Una partícula es comporta com si fos lliure quan la dimensió de confinament és gran en comparació amb la longitud d'ona de la partícula. Durant aquest estat, el bandgap (banda prohibida), es manté dins de la seva energia original en tenir un estat d'energia continu. Tanmateix, a mesura que la dimensió de confinament disminueix i arriba a un cert límit, normalment a escala nanomètrica, l'espectre d'energia es converteix en discret. Com a resultat, el bandgap depèn de la mida. Això, per exemple, provoca un canvi de color en els punts quàntics a mesura que la mida de les partícules disminueix.

Per entendre millor la informació que us he explicat en aquest article podeu llegir:

1. https://www.nationalgeographic.com.es/ciencia/puntos-cuanticos-serviran-para-serviran-para-revolucionar-ciencia-materiales_20820

2. https://www.coursehero.com/file/76847267/Nanotech-Moderdern-physics-1st-Chapterppt-1ppt/

3. https://ccsuniversity.ac.in/bridge-library/pdf/L-2%20Quantum%20Confinement%20Prof%20BPS.pdf

I veure el vídeo:

ç

Crèdit foto de capçalera: (CC BY-SA 3.0) Antipoff