Monitoreo innovador de puntos cuánticos: información en tiempo real sobre el crecimiento de nanopartículas

Los puntos cuánticos de telururo de cadmio (CdTe) de diferentes tamaños emiten luz en respuesta a la excitación por láser UV. Crédito: Pedro Felipe García Martins da Costa

La luminiscencia es el resultado de un proceso en el que un objeto absorbe luz en una longitud de onda y la reemite en una longitud de onda diferente. Durante este proceso, los electrones en el estado fundamental del material absorben luz y se excitan a un estado de energía superior. Después de un período específico, único para cada estado excitado, los electrones regresan a estados de energía más bajos, incluido el estado fundamental, y emiten luz. Este fenómeno se utiliza en una amplia gama de aplicaciones tecnológicas, que implican dispositivos emisores altamente eficientes y reproducibles que pueden ser fácilmente miniaturizados.

Los materiales con la eficiencia de luminiscencia más alta incluyen puntos cuánticos (QDs), actualmente utilizados en pantallas de alta resolución, LEDs, paneles solares y sensores de varios tipos, como los utilizados para la imagen médica de precisión. La funcionalización de la superficie de los QDs con varios tipos de moléculas permite la interacción con estructuras celulares u otras moléculas de interés con el propósito de investigar procesos biológicos a nivel molecular.

Los QDs son nanopartículas semiconductores cuyas características de emisión están directamente vinculadas al tamaño del punto, debido al fenómeno de confinamiento cuántico. Por esta razón, el monitoreo y control del crecimiento de cristales durante la síntesis de QDs en solución permite una planificación inteligente de la luminiscencia deseada. En un artículo publicado en la revista Scientific Reports, investigadores liderados por Andrea de Camargo, profesora del Instituto de Física de São Carlos (IFSC-USP) de la Universidad de São Paulo en Brasil, y colaboradores en la Universidad de Kiel en Alemania presentan un enfoque novedoso para el monitoreo de la formación de QDs.

“Utilizamos telururo de cadmio [CdTe] como sistema modelo y controlamos el crecimiento de nanopartículas en una solución acuosa calentada a través de un análisis de luminiscencia in situ,” dice Pedro Felipe García Martins da Costa, candidato a doctorado en IFSC-USP y primer autor del artículo.

La técnica permite a los científicos observar lo que está sucediendo en la solución en tiempo real sin afectar la síntesis de QD, de manera que pueden monitorear el crecimiento cristalino observando el color (longitud de onda) de la luz emitida. “Los QDs se sintetizan mezclando soluciones precursoras de cadmio (Cd2+) y telurio (Te2-) en presencia de un agente de control de tamaño. La temperatura se incrementa y la reacción química comienza a través de la agrupación de iones de telururo y cadmio. A medida que avanza la reacción, unidades adicionales de CdTe se unen esféricamente al agrupamiento en un proceso conocido como autoensamblaje. El tamaño de las nanopartículas se puede estimar gracias al monitoreo rápido y preciso de las frecuencias de emisión. Los QDs de CdTe con un diámetro de 1-2 nanómetros [nm] emiten en las regiones azul y verde del espectro visible. Los QDs más grandes, con medidas de 4-5 nm, emiten en frecuencias más bajas, como el amarillo y el rojo respectivamente,” dice Leonnam Gotardo Merizio, investigador posdoctoral en IFSC-USP y segundo autor del artículo.

Según Costa, el método novedoso tiene varias ventajas sobre la estrategia convencional de síntesis. “En la técnica convencional, es necesario tomar pequeñas muestras de la solución para medir el tamaño del QD, pero la técnica in situ te permite hacerlo mientras el proceso está en marcha, sin tener que interferir con el medio de reacción para tomar muestras para que se puedan obtener más espectros por unidad de tiempo, el volumen de reacción no se ve afectado y se evita el desperdicio innecesario. Por lo tanto, el color de emisión de los QDs de interés se puede controlar de manera mucho más precisa. El equipo que suministra la luz de excitación a través de fibra óptica en la longitud de onda adecuada también recopila la luz emitida y determina su frecuencia característica en el sistema de color RGB [rojo, verde y azul]. Es importante destacar que el control del sistema RGB es relevante para la formación de imágenes en varios dispositivos luminiscentes, como monitores y pantallas de teléfonos inteligentes,” explica.

Los QDs sintetizados de esta manera, agregó, también fueron caracterizados mediante difracción de rayos X, microscopía electrónica de transmisión, espectroscopía de absorción ultravioleta-visible y espectroscopía de vibración infrarroja.

La existencia de los QDs fue predicha teóricamente en 1937 por Herbert Fröhlich (1905-91), un físico británico de origen alemán. En la década de 1980, Alexey Ekimov (nacido en 1945), en lo que entonces era la Unión Soviética, y Louis Brus (nacido en 1943), en Estados Unidos, observaron independientemente por primera vez el confinamiento cuántico en nanopartículas semiconductoras. En la década de 1990, el físico franco-estadounidense Moungi Bawendi (nacido en 1961) desarrolló métodos significativamente mejorados de síntesis de QD. En 2023, Ekimov, Brus y Bawendi fueron galardonados con el Premio Nobel de Química por su trabajo en el campo.

“La confinamiento cuántico le da a las QDs la capacidad de confinar electrones en tres dimensiones, haciendo que los fenómenos cuánticos sean más evidentes y caracterizándolos como materiales intermedios entre átomos, moléculas y arreglos cristalinos más grandes,” dice Costa.

“Se han publicado muchos artículos sobre la síntesis de QDs hechos de CdTe. La principal contribución de nuestro estudio se relaciona con el desarrollo y la aplicación de un sistema de medición de luminiscencia in situ altamente versátil. La metodología nos permitió inferir el tamaño de las nanopartículas cristalinas y caracterizar la formación de compuestos intermedios en las reacciones químicas mediante la asociación in situ con otras técnicas que permiten el análisis químico y/o estructural [FT-IR, Raman, DRX, etc.]. Esta evolución de la síntesis optimiza los rendimientos químicos y ahorra energía,” dice Camargo.

Referencia: “Monitoreo en tiempo real del crecimiento de puntos cuánticos de CdTe en solución acuosa” por P. F. G. M. da Costa, L. G. Merízio, N. Wolff, H. Terraschke y A. S. S. de Camargo, 3 de abril de 2024, Informes Científicos. DOI: 10.1038/s41598-024-57810-8

El estudio fue financiado por la Fundación de Investigación de São Paulo.