El color de los puntos cuánticos y la importancia del tamaño

El premio Nobel de química de 2023 ha sido concedido a Ekimov, Brus y Bawendipor el descubrimiento y la síntesis de puntos cuánticos. En realidad se llevan utilizando puntos cuánticos desde la Edad Media, solo que entonces no se les había puesto un nombre tan refinado, ni sus propiedades se habían descrito con la sofisticación de la química.

Los puntos cuánticos han servido para colorear vidrios y cerámicas desde el inicio de los tiempos. Los artesanos y artistas saben que hay pigmentos cuyo color varía según el grado de molienda. Hay verdes que se vuelven azules en el mortero, hay amarillos que se vuelven naranjas durante el vidriado. Los ceramistas suelen tener cuadernos en los que apuntan los colores que obtienen con cada compuesto, en qué horno, a qué temperatura y tras cuánto tiempo de cocción. Son un recetario que registra su experiencia de años. Como cualquier receta familiar, adquiere la categoría de legado. Esos cuadernos se custodian como oro en paño.

En la actualidad, se usan puntos cuánticos para iluminar sondas médicas y endoscopios, como biomarcadores para imagen médica, para catalizar reacciones químicas, para aumentar la eficiencia de los paneles solares y para enriquecer el color y el contraste de las pantallas QLED. La Q de QLED viene de quantum dots, que en español se traduce por "puntos cuánticos".

Los puntos cuánticos son "cristales semiconductores del tamaño de nanopartículas". La palabra "cristal" significa que es un conjunto de átomos dispuestos en un arreglo geométrico concreto, es decir, átomos ordenados. La palabra "nanopartícula" se refiere al tamaño, que está en la escala de los nanómetros (nm). Un nanómetro es la milmillónesima parte del metro. Para hacerse una idea de lo pequeño que es esto, un cabello humano tiene un grosor de unos 100.000 nanómetros. El diámetro de un átomo es de unos 0,2 nm.

Lo curioso del mundo nanométrico es que se comporta de forma diferente que el mundo de las cosas grandes –las que se ven y se tocan–. Hay determinados principios y leyes que describen perfectamente el funcionamiento de las cosas grandes, pero no sirven para describir el de las cosas pequeñas. Por eso a veces se hace uso de la física clásica y otras hay que adentrarse en la cuántica. Esto es lo que ocurre con los puntos cuánticos, de ahí su nombre. La palabra "punto" hace referencia a las dimensiones del cristal. Hay cristales tridimensionales, bidimensionales, unidimensionales y cerodimensionales. Los puntos cuánticos son cristales de cero dimensiones.

La palabra "semiconductor" tiene que ver con el color. El color sigue siendo un campo de estudio científico. El color de las cosas se describe como la parte de la luz que no absorben, la que reflejan. Sin embargo, el proceso por el cual las cosas se quedan con una porción de la luz y desprenden otra es algo muy complejo, también muy bello. El color depende de la composición, del tamaño, de la temperatura, de la geometría y disposición de los átomos –si estos siguen un orden en un cristal o por el contrario están desperdigados en un sólido amorfo como el vidrio–. Pero en todos los casos los protagonistas del fenómeno del color son los electrones. Los electrones son las partículas con carga negativa que están bailando en la superficie de los átomos. Ocupan pistas de baile que se llaman "orbitales". Dependiendo de lo frenético que sea el baile de los electrones y de lo que les cueste encontrar pareja para bailar, la danza de los electrones es lo que desprende luz de colores.

Uno de los modelos que describe el baile de color de los electrones es la "teoría de bandas". Es como los bailes de instituto de las películas, con los chicos a un lado de la pista y las chicas al otro. Los chicos serían los electrones de la "banda de valencia" y las chicas serían la "banda de conducción". Cuanto más alejadas están las bandas entre sí, más energía costará a los electrones llegar hasta la banda de las chicas. La energía que necesitan para ir de una banda a otra la obtienen de la luz. La luz azul tiene más energía que la verde, la verde más que la amarilla, la amarilla más que la roja. La luz visible se ordena de mayor a menor energía en el "espectro electromagnético" igual que el arcoíris. Así, si un electrón necesita absorber luz azul para alcanzar la banda de conducción, se quedará con esa porción de la luz y reflejará el resto, emitiendo luz roja.

La teoría de bandas permite clasificar los materiales en conductores (las dos bandas están pegadas), semiconductores (las bandas están separadas, pero los electrones son capaces de ir de una a otra si se les proporciona la energía suficiente) y aislantes (la separación entre bandas es insalvable). Los puntos cuánticos son cristales formados por semiconductores.

Algo muy valioso de los puntos cuánticos es que se puede ajustar su tamaño para modificar a voluntad el salto entre las bandas. Al hacerlo también se modifica la energía de la luz que necesitan absorber los electrones para saltar de la banda de valencia a la banda de conducción, así que esto significa que al cambiar el tamaño de los puntos cuánticos también se puede cambiar su color.

Este fenómeno de cambio de color según el tamaño de los puntos cuánticos lo describió Ekimov en la década de 1970 mientras estudiaba el color de unas vidrieras. Encontró que el color se debía al cloruro de cobre, un cristal semiconductor que se usa para dopar el vidrio y dotarlo de color. Algunas muestras de vidrio tenían cristales de cloruro de cobre de 2 nm y otras de 30 nm. Cuanto más pequeños eran los cristales más luz azul absorbía el vidrio. En 1981 Ekimov publicó

su descubrimiento. Al mismo tiempo, en otro laboratorio Brus estaba investigando cómo afecta el tamaño de los cristales de sulfuro de cadmio a la capacidad de aprovechar la energía solar para activar reacciones químicas. Se dio cuenta de que, al reducir el tamaño de los cristales, en vez de absorber luz amarilla empezaban a absorber luz azul. Este descubrimiento se publicó en 1983.

La limitación que se habían encontrado Ekimov y Brus era cómo controlar el tamaño de los puntos cuánticos. Podían medirlos, incluso sintetizarlos, pero no conseguían hacer que los cristales creciesen al tamaño justo que querían. El siguiente gran avance para los puntos cuánticos fue el aportado por Bawendi, que en 1993 logró sintetizar cristales nanométricos con un control preciso del tamaño.

Bawendi y sus compañeros desarrollaron la "producción de coloides liofílicos monodispersos", una técnica que de forma coloquial se suele llamar "síntesis por inyección en caliente". La técnica consiste en inyectar un reactivo capaz de formar cristales en un disolvente que se encuentra a una temperatura altísima, lo que provoca que parte de la mezcla se volatilice. De ese modo la concentración de la disolución aumenta muy rápido, por lo que el reactivo comienza a apelmazarse formando cristales. Al reducir la temperatura, el crecimiento de los cristales se detiene; así que mediante el control de la temperatura se controla también el tamaño de los cristales con un nivel de precisión exquisito.

Al poder sintetizar cristales de cualquier tamaño, también se pudieron estudiar las propiedades ópticas de los puntos cuánticos y elegir su color a antojo. Una vez se conoció cómo el tamaño y el color están conectados, este conocimiento se pudo aplicar a todo tipo de disciplinas, del arte a la medicina. Al intervenir en la danza cuántica de los electrones, logramos que su pista de baile se ilumine con el color que queramos.