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(noticias nanowerk) Los puntos cuánticos son un tipo de átomo artificial: con un tamaño de sólo unos pocos nanómetros y fabricados con materiales semiconductores, pueden emitir luz de un color específico o incluso fotones individuales, 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 en 2023.
Los puntos cuánticos fabricados a partir de perovskitas han atraído especial atención en los últimos años. Las perovskitas pertenecen a una clase de materiales que tienen una estructura similar a la del mineral perovskita (titanato de calcio). Los puntos cuánticos fabricados con estos materiales fueron producidos por primera vez por ETH Zurich en 2015. Estos puntos cuánticos hechos de nanocristales de perovskita se pueden mezclar con líquidos para formar una dispersión que permite un procesamiento posterior sencillo.
Además, debido a sus propiedades ópticas especiales, brillan más que muchos otros puntos cuánticos. También se pueden producir de forma más económica, lo que los hace interesantes para aplicaciones en pantallas, por ejemplo.
Un equipo de investigación dirigido por Maksym Kovalenko de ETH Zurich y Empa, en colaboración con sus colegas de Ucrania y EE. UU., ha demostrado cómo estas prometedoras propiedades de los puntos cuánticos de perovskita se pueden mejorar aún más. Utilizaron métodos químicos de tratamiento de superficies y efectos de la mecánica cuántica nunca antes observados en los puntos cuánticos de perovskita.
Los investigadores publicaron recientemente sus resultados en dos artículos en la reconocida revista Naturaleza (“Superradiación de fotón único en puntos cuánticos individuales de haluros de cesio y plomo”).
![Para hacer más eficiente un punto cuántico hecho de nanocristal de perovskita (izquierda), los investigadores crearon moléculas especiales (derecha) que forman una capa protectora alrededor del punto cuántico.](https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news3/id64554_1.jpg)
Los átomos infelices reducen el brillo
El brillo es una medida importante para los puntos cuánticos y está relacionado con la cantidad de fotones que el punto cuántico emite por segundo. Los puntos cuánticos emiten fotones de un determinado color (y por tanto de frecuencia) después de ser excitados, por ejemplo, por luz ultravioleta de mayor frecuencia. Esto crea un excitón que consta de un electrón que ahora se mueve más libremente y un hueco, es decir, un electrón faltante, en la estructura de bandas energéticas 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 se convierte en un fotón, el punto cuántico emite luz.
Sin embargo, esto no siempre funciona. «En la superficie de los nanocristales de perovskita se encuentran átomos ‘desafortunados’ que carecen de un vecino en la red cristalina», explica el investigador principal Gabriele Raino. Estos átomos marginales alteran el equilibrio entre los portadores de carga positivos y negativos dentro del nanocristal y pueden hacer que la energía liberada durante la recombinación se convierta en vibraciones de la red en lugar de emitirse como luz. Esto hace que el punto cuántico «destelle», lo que significa que no brilla permanentemente.
Capa protectora hecha de fosfolípidos.
Para evitar esto, Kovalenko y su equipo desarrollaron moléculas hechas a medida llamadas fosfolípidos. “Estos fosfolípidos son muy similares a los liposomas en los que, por ejemplo, se incrusta la vacuna de ARNm contra el coronavirus para que permanezca estable en el torrente sanguíneo hasta llegar a las células”, explica Kovalenko. Una diferencia importante: los investigadores han optimizado sus moléculas de modo que la parte polar, es decir, eléctricamente sensible, de la molécula se adhiera a la superficie de los puntos cuánticos de perovskita y garantice que los átomos «desafortunados» obtengan un compañero de carga.
![Las moléculas de fosfolípidos forman una capa protectora alrededor del nanocristal de perovskita.](https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news3/id64554_2.jpg)
La parte no polar del fosfolípido que sobresale hacia afuera también permite convertir los puntos cuánticos en una dispersión en soluciones no acuosas, como por ejemplo disolventes orgánicos. La capa lipídica de la superficie de los nanocristales de perovskita también es importante para su estabilidad estructural, como subraya Kovalenko: «Este tratamiento superficial es absolutamente necesario para todo lo que queremos hacer con los puntos cuánticos». Se ha demostrado el tratamiento de puntos cuánticos con perovskitas de haluro de plomo, pero también se puede transferir fácilmente a otros puntos cuánticos de haluro metálico.
Aún más brillante gracias a Superradiance
Utilizando la superficie lipídica fue posible reducir el parpadeo de los puntos cuánticos hasta tal punto que en el 95 por ciento de los eventos de recombinación de huecos de electrones se emitió un fotón. Sin embargo, para que el punto cuántico fuera aún más brillante, los investigadores tuvieron que aumentar la velocidad de la recombinación, y para ello se necesita mecánica cuántica. Un estado excitado, como un excitón, decae cuando un dipolo (las cargas positivas y negativas se desplazan entre sí) interactúa con el campo electromagnético del vacío. Cuanto mayor es el dipolo, más rápido se produce la desintegración. Una forma de crear un dipolo más grande es acoplar coherentemente varios dipolos más pequeños. Esto es comparable a los relojes de péndulo, que están conectados mecánicamente entre sí y funcionan al unísono después de un tiempo determinado.
Los investigadores pudieron demostrar experimentalmente que el acoplamiento coherente también funciona en puntos cuánticos de perovskita, con un solo dipolo de excitón que se extiende por todo el volumen del punto cuántico mediante efectos de la mecánica cuántica, creando múltiples copias de sí mismo. Cuanto más grande sea el punto cuántico, más copias se podrán hacer. Estas copias pueden producir un efecto conocido como superradiancia, que hace que el excitón se recombine mucho más rápidamente. Esto significa que el punto cuántico está preparado para absorber un nuevo excitón más rápidamente y, por tanto, puede emitir más fotones por segundo, lo que lo hace aún más brillante. Un detalle importante es que el punto cuántico más rápido sigue emitiendo fotones individuales (no varios fotones al mismo tiempo), lo que lo hace adecuado para las tecnologías cuánticas.
Los puntos cuánticos de perovskita mejorados son de interés no sólo para la producción de luz y la visualización, dice Kovalenko, sino también en otras áreas menos obvias. Por ejemplo, podrían utilizarse como catalizadores activados por luz en química orgánica. Kovalenko está investigando estas y varias otras aplicaciones, incluso como parte de NCCR Catalysis.
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