El desarrollo de los puntos cuánticos gana el premio Nobel de química en 2023.
El químico Moungi Bawendi, el químico Louis Brus y el físico Alexei Ekimov se repartirán el premio por el descubrimiento y síntesis de los puntos cuánticos, anunció la Real Academia Sueca de las Ciencias el 4 de octubre.
"Los puntos cuánticos son una nueva clase de materiales, diferentes de las moléculas", dijo Heiner Linke, miembro del comité Nobel. Solo ajustando el tamaño de estas nanopartículas, que tienen aproximadamente algunos miles de millones de metros de diámetro, se pueden cambiar sus propiedades, ópticas, eléctricas, magnéticas e incluso los puntos de fusión, gracias a la mecánica cuántica.
Lo mismo ocurre con el color. "Si quieres crear diferentes colores con moléculas, elegirías una nueva molécula, un nuevo conjunto de átomos" dispuestos en una estructura diferente, dijo Linke. Pero los puntos cuánticos de diferentes colores tienen exactamente la misma disposición de átomos. La única diferencia es el tamaño de las partículas.
Cuando los puntos cuánticos son irradiados por la luz, los electrones en su interior se energizan, liberando eventualmente esa energía como luz fluorescente. Cuanto más pequeños son los puntos, más comprimen la función de onda de un electrón, aumentando su energía para que el punto aparezca azul. Los puntos más grandes aparecen rojos.
Los puntos del mismo tamaño hechos de diferentes materiales también pueden emitir longitudes de onda ligeramente diferentes de la luz, dice Jean-Marc Pecourt, un químico del CAS, una división de la Sociedad Química Americana. Los puntos cuánticos generalmente se fabrican con materiales semiconductores, como grafeno, selenito o sulfuros metálicos, dice Pecourt. Así que al ajustar los materiales o el tamaño de los puntos cuánticos, los químicos pueden alterar sus propiedades para una amplia variedad de usos.
La idea de que el tamaño de estas nanopartículas podría alterar sus propiedades fue predicha hace casi un siglo, pero en ese momento parecía imposible reproducir ese efecto en el mundo real. Para hacerlo, los investigadores necesitarían un material cristalino perfecto y tendrían que controlar el tamaño del nanomaterial de manera muy precisa, esculpiéndolo capa a capa de átomos.
Luego, a principios de la década de 1980, Ekimov y Brus demostraron de manera independiente que se podía hacer. Ekimov, ahora en Nanocrystals Technology, Inc., en Briarcliff Manor, Nueva York, demostró esto en vidrio, agregando cloruro de cobre para producir pequeños cristales y revelando que el color del vidrio estaba relacionado con el tamaño de esos cristales. Brus, de la Universidad de Columbia, hizo un descubrimiento similar, pero en un contexto diferente: demostró la relación entre el tamaño y el color para partículas en suspensión en una solución y en compuestos gaseosos.
Esos descubrimientos despertaron un gran interés en cómo aprovechar estos pequeños puntos para una variedad de aplicaciones. Pero fabricarlos requeriría poder controlar el tamaño de las partículas con especificaciones precisas.
Una década después, Bawendi, del MIT, desarrolló un método para controlar de manera precisa la velocidad de crecimiento de los cristales en una solución, descubriendo cómo detenerlos justo cuando alcanzan el tamaño deseado. Para hacer esto, primero inyectó reactivos químicos en la solución que formaron instantáneamente los pequeños cristales y luego ajustó rápidamente la temperatura de la solución, deteniendo su crecimiento.
"Estoy profundamente honrado, sorprendido y conmocionado por el anuncio de esta mañana", dijo Bawendi el 4 de octubre durante una conferencia de prensa en el MIT. "Me siento especialmente honrado de compartir esto con Lou Brus, quien fue mi mentor postdoctoral y de quien aprendí mucho. Traté de emular su erudición y su estilo de mentoría cuando me convertí en profesor en el MIT."
Bawendi empezó a trabajar en puntos cuánticos después de conocer a Brus en los Laboratorios Bell de Nokia, con sede en Murray Hill, Nueva Jersey. Los investigadores necesitaban puntos cuánticos de alta calidad para estudiar la física de las nanopartículas, dijo Bawendi. "No fue porque quisiera hacer los mejores puntos cuánticos posibles para aplicaciones, sino porque necesitábamos hacer los mejores puntos cuánticos posibles para estudiarlos". Le llevó años de prueba y error desarrollar el método, dijo.
Al hacer posible la fabricación de puntos cuánticos, el método de Bawendi abrió un mundo de posibles usos para las nanopartículas. Los puntos cuánticos permiten cambiar con precisión el color de las luces LED y mejorar drásticamente su eficiencia. Los puntos que brillan con luz fluorescente, inyectados en el cuerpo y unidos a células inmunitarias que se acumulan en tejidos cancerosos, pueden ayudar a los cirujanos a distinguir tumores incluso difícilmente visibles. La capacidad de sintonizarse para absorber diferentes longitudes de onda de la luz también podría permitir la fabricación de células solares personalizadas altamente eficientes en diferentes condiciones de luz. Los puntos también podrían usarse para construir computadoras cuánticas.
Biomedical engineer and chemist Warren Chan says the prize is well deserved. “They’re the ones who built the foundation,” says Chan, of the University of Toronto. “I’m really happy that the field is getting credit for really changing the world, not just in quantum dots, but in a lot of different areas.”
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One of the first applications came in the late 1990s when Chan and colleagues used quantum dots to tag cells in the lab, he says. “The surface modifications that were used for integrating quantum dots for applications were then also adapted for other types of nanoparticles.”
The Nobel committee looks not only at past contributions, but also the effect a discovery may have on the future, Chan says. The ability to tune nanoparticles by changing their size or surface properties could open a wide variety of possibilities that have not yet been explored. Chan and colleagues are now using quantum dots to detect infectious diseases, including HIV, influenza and hepatitis B.
“I was absolutely thrilled to see this,” says Judith Giordan, president of the American Chemical Society. “We have three people recognized who brought this technology from a dream, a hope, a theoretical construct … all the way through synthesis and manufacture.”
Earlier this week, the development of mRNA vaccines — widely speculated as a candidate for the 2023 chemistry Nobel Prize — received the Nobel in medicine or physiology instead (SN: 10/2/23).
“Sometimes chemistry gets a bad rap,” Giordan says. “But here are two magnificent examples of how chemistry has solved problems in the world.”
The three winners will share the prize of 11 million Swedish kronor, or about $1 million.
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