Los puntos cuánticos son un tipo de átomo artificial: de sólo unos pocos nanómetros de tamaño y hechos de material semiconductor, pueden emitir luz de un color determinado o incluso un fotón, lo cual es importante para las tecnologías cuánticas. Los descubridores y pioneros de la producción comercial de puntos cuánticos recibieron el Premio Nobel de Química 2023. En los últimos años, los puntos cuánticos formados por perovskitas han atraído considerable atención. Las perovskitas pertenecen a una clase de materiales cuya estructura es similar a la del mineral perovskita (titanato de calcio). Los puntos cuánticos fabricados con estos materiales fueron desarrollados por primera vez en 2015 por ETH Zurich. Estos puntos cuánticos se pueden mezclar con nanocristales de perovskita. Líquido para crear tensión, lo que los hace más fáciles de procesar. Además, sus propiedades ópticas especiales los hacen más brillantes que muchos otros puntos cuánticos. También se pueden producir a un precio más bajo, lo que los hace interesantes para aplicaciones en pantallas, por ejemplo.
Un equipo de investigadores dirigido por Maxim Kovalenko en ETH Zurich y Empa, trabajando en colaboración con sus homólogos en Ucrania y Estados Unidos, ha demostrado cómo mejorar aún más estas prometedoras propiedades de los puntos cuánticos de perovskita. Utilizaron métodos químicos para el tratamiento de superficies y efectos de la mecánica cuántica que nunca antes se habían visto en los puntos cuánticos de perovskita. Los investigadores publicaron recientemente sus hallazgos en dos artículos en la prestigiosa revista científica Nature.
Los átomos infelices emiten luz.
La luminosidad es un parámetro importante para los puntos cuánticos y está relacionada con la cantidad de fotones que un punto cuántico emite por segundo. Los puntos cuánticos se excitan después de ser irradiados con fotones de un color particular (y por lo tanto de una frecuencia), por ejemplo, mediante una luz ultravioleta de alta frecuencia. Esto conduce a la formación de un excitón que contiene un electrón, que ahora puede moverse más libremente, y a un agujero, es decir, un electrón faltante, en la estructura de bandas de energía del material. El electrón excitado puede volver a caer a un estado de menor energía y así recombinarse con el agujero. Si la energía liberada durante este proceso se convierte en un fotón, el punto cuántico emite luz.
Sin embargo, no siempre funciona. El investigador principal Gabriel Reno explica que «en la superficie de un nanocristal de perovskita hay átomos ‘infelices’ a los que les falta un vecino en la red cristalina. Estos átomos de borde alteran el equilibrio entre los portadores de carga positivos y negativos dentro del nanocristal y se recombinan. Esto provoca la La energía liberada durante el experimento se convierte en vibraciones reticulares en lugar de emitirse como luz. Como resultado, el punto cuántico «parpadea», es decir, no parpadea continuamente.
Una capa protectora hecha de fosfolípidos.
Para evitar que esto suceda, Kovalenko y su equipo han desarrollado moléculas hechas a medida conocidas como fosfolípidos. «Estos fosfolípidos son muy similares a los liposomas en los que, por ejemplo, se añade la vacuna de ARNm contra el coronavirus de forma que se estabilice en el torrente sanguíneo hasta que llegue a las células», explica Kovalenko. Una diferencia clave: 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 y garantice que los átomos «descontentos» reciban una pareja de carga.