Un nuevo método perfecciona la producción de puntos cuánticos luminiscentes de tamaño controlado

En el marco de una investigación realizada en la Universidad de São Paulo, en Brasil, y publicada en la revista Scientific Reports, se monitoreó en tiempo real el diámetro de puntos cuánticos semiconductores a través de la frecuencia de la luz que emiten

Por José Tadeu Arantes  |  Agência FAPESP – La luminiscencia es un fenómeno que se observa en materiales que absorben la luz en una determinada banda de frecuencia y posteriormente la reemiten en frecuencias distintas. Mediante la absorción, los electrones en el estado electrónico fundamental del material se excitan llegando a un estado de energía más alta. Al cabo de un tiempo característico de cada estado excitado, decaen a estados de energía más baja −incluso al estado fundamental− emitiendo luz. Este fenómeno hace posible una gama de aplicaciones tecnológicas mediante la utilización de dispositivos emisores de alta eficiencia y reproducibilidad que pueden miniaturizarse fácilmente.

Entre los materiales que exhiben la más alta eficiencia de luminiscencia, sobresalen los puntos cuánticos (Quantum Dots, abreviados QD en inglés), que actualmente se emplean en las pantallas luminiscentes de alta resolución, en ledes, en paneles solares y en sensores de diversos tipos, incluso para la realización de exámenes médicos de alta precisión. La funcionalización de la superficie de los QD con distintos tipos de moléculas hace posible la interacción con estructuras celulares u otras moléculas de interés, con lo cual viabiliza la investigación de procesos biológicos a nivel molecular.

Los puntos cuánticos son nanopartículas semiconductoras cuyas características emisivas están directamente relacionadas con el tamaño de los mismos, debido al fenómeno de confinamiento cuántico. Por esta razón, el monitoreo y el control del crecimiento cristalino durante la síntesis de los QD en solución brindan la oportunidad de efectuar una planificación inteligente de la luminiscencia que se pretende. En un trabajo publicado en la revista Scientific Reports, investigadores del grupo de la profesora Andrea de Camargo, en el Instituto de Física de São Carlos de la Universidad de São Paulo (IFSC-USP), en Brasil, y colaboradores de la Kiel University, en Alemania, dieron a conocer un nuevo abordaje para el monitoreo de la formación de los puntos cuánticos.

“Utilizamos el telururo de cadmio [CdTe] como sistema modelo y controlamos el proceso de crecimiento de las nanopartículas en solución acuosa calentada mediante el análisis de la luminiscencia in situ”, comenta Pedro Felipe Garcia Martins da Costa, doctorando en el IFSC-USP y primer autor del artículo.

Sin interferir en la síntesis de los QD, esta técnica permite monitorear en tiempo real qué está sucediendo en la solución, es decir, seguir el crecimiento cristalino a través del color (la frecuencia) de la emisión detectada. “La síntesis se concreta con base en una mezcla de soluciones precursoras de iones de cadmio (Cd²⁺) y telurio (Te^2-), en presencia de un reactivo para efectuar el control del tamaño. Con el aumento de la temperatura, se pone en marcha la reacción química mediante el acercamiento y el agrupamiento de iones de telururo y de cadmio. A medida que prosigue la reacción, unidades adicionales de CdTe van agrupándose esféricamente en un proceso denominado de automontaje. Merced al monitoreo rápido y preciso de las frecuencias de emisión, es posible estimar el tamaño de las nanopartículas. Los QD de telururo de cadmio con un diámetro de entre 1 y 2 nanómetros (nm) emiten en la región del azul y del verde del espectro visible, mientras que los puntos cuánticos mayores, de entre 4 y 5 nm, emiten en frecuencias más bajas como el amarillo y el rojo respectivamente”, explica Leonnan Gotardo Merizio, posdoctorando en el IFSC-USP y coautor del artículo.

Garcia Martins da Costa pone de relieve la ventaja de este nuevo método con relación a la estrategia convencional de síntesis. “En la técnica convencional, es necesario extraer pequeñas proporciones de muestra de la solución para medir el tamaño de los puntos cuánticos. En la técnica in situ, las mediciones se efectúan mientras el proceso transcurre, sin necesidad de interferir en el medio de reacción extrayendo muestras. Esto hace posible obtener una mayor cantidad de espectros por unidad de tiempo, aparte de no alterar el volumen de la reacción y evitar desechados innecesarios. De este modo, la técnica permite controlar en forma mucho más precisa el color de emisión de los puntos cuánticos de interés. El mismo aparato que suministra la luz de excitación, a través de una fibra óptica en la longitud de onda apropiada, se encarga también de captar la luz emitida y de determinar su frecuencia característica en el sistema de colores RGB [del inglés red, green and blue]. Cabe remarcar que el control del sistema RGB es relevante para la formación de las imágenes en diversos dispositivos luminiscentes, tales como monitores y pantallas de teléfonos móviles”, afirma.

El investigador añade que los QD así sintetizados se caracterizaron adicionalmente mediante análisis de difracción de rayos X, microscopía electrónica de transmisión, espectroscopía de absorción UV-vis y espectroscopía vibracional en el infrarrojo.

La existencia de los puntos cuánticos fue prevista teóricamente en 1937 por el físico alemán naturalizado británico Herbert Fröhlich (1905-1991). En la década de 1980, Alexey Ekimov (nacido en 1945), en la antigua Unión Soviética, y Louis Brus (nacido en 1943), en Estados Unidos, observaron por primera vez el fenómeno del confinamiento cuántico en nanopartículas semiconductoras. En la década de 1990, el francés de origen tunecino Moungi Bawendi (nacido en 1961) también hizo su aporte mediante estudios de perfeccionamiento de la síntesis de las nanopartículas aplicando diferentes técnicas. En 2023, los tres, Ekimov, Brus y Bawendi, fueron galardonados con el Premio Nobel de Química por sus contribuciones al desarrollo de este material.

“El efecto de confinamiento cuántico dota a los QD de la capacidad de confinar electrones en tres dimensiones reducidas, con lo cual los fenómenos cuánticos se vuelven más evidentes y quedan caracterizados como materiales intermedios entre los átomos, las moléculas y los conglomerados cristalinos mayores”, comenta Garcia Martins da Costa.

“Si bien existen muchas publicaciones en las cuales se informa acerca de la síntesis de puntos cuánticos de CdTe, el mayor aporte del trabajo al que aquí se alude reside en el desarrollo y en la aplicación del sistema de mediciones de luminiscencia in situ, que es sumamente versátil. Aparte de permitir la inferencia de los tamaños de las nanopartículas cristalinas, como en este caso modelo, esta metodología también posibilita caracterizar la formación de compuestos intermedios en las reacciones químicas, por asociación in situ de otras técnicas que permitan el análisis químico y/o estructural [FT-IR, Raman, DRX, etc.]. En general, esta aproximación hace posible analizar la evolución de los procesos de síntesis, lo cual redunda en la optimización del rendimiento químico y en un ahorro de energía”, dice De Camargo.

Este estudio contó con el apoyo de la FAPESP en el marco de cuatro proyectos (13/07793-6, 20/05627-5, 21/01170-3 y 22/07667-0).

Puede accederse a la lectura del artículo intitulado Real‐time monitoring of CdTe quantum dots growth in aqueous solution completo en el siguiente enlace: www.nature.com/articles/s41598-024-57810-8.