El tipo de nanocristales semiconductores conocidos como puntos cuánticos están expandiendo la vanguardia de la ciencia pura y también están trabajando arduamente en aplicaciones prácticas que incluyen láseres, televisores y pantallas cuánticas QLED, células solares, dispositivos médicos y otros productos electrónicos.
Una nueva técnica para hacer crecer estos cristales microscópicos, publicada esta semana en Cienciano sólo ha encontrado una forma nueva y más eficiente de construir un tipo útil de punto cuántico, sino que también ha abierto todo un grupo de nuevos materiales químicos para la exploración de futuros investigadores.
«Estoy emocionado de ver cómo los investigadores de todo el mundo pueden aprovechar esta técnica para preparar nanocristales antes inimaginables», dijo el primer autor Justin Ondry, ex investigador postdoctoral en el Laboratorio Talapin de la Universidad de Chicago.
El equipo, que incluía investigadores de la Universidad de Chicago, la Universidad de California Berkeley, la Universidad Northwestern, la Universidad de Colorado Boulder y el Laboratorio Nacional Argonne, logró estos notables resultados reemplazando los solventes orgánicos típicamente utilizados para crear nanocristales con sal fundida. — literalmente cloruro de sodio sobrecalentado, del tipo que se espolvorea sobre papas al horno.
«El cloruro de sodio no es un líquido en tu mente, pero supongamos que lo calientas a una temperatura tan loca que se convierte en líquido. Parece líquido. Tiene una viscosidad similar a la del agua. Es incoloro. El único problema fue que nadie nunca consideró estos líquidos como medios para la síntesis coloidal», dijo el profesor Dmitri Talapin de la Escuela de Ingeniería Molecular Pritzker de la UChicago (UChicago PME) y del Departamento de Química.
¿Por qué sal?
Los puntos cuánticos se encuentran entre los nanocristales más conocidos, no solo por sus amplios usos comerciales sino también por el reciente Premio Nobel de Química de 2023 otorgado al equipo que los descubrió.
«Si hay un material del mundo nano que ha tenido un impacto en la sociedad en términos de aplicaciones, es el punto cuántico», dijo el profesor Eran Rabani, de la Universidad de California en Berkeley, coautor del artículo.
Sin embargo, gran parte de la investigación previa sobre puntos cuánticos, incluido el trabajo del Nobel, se centró en puntos creados utilizando combinaciones de elementos del segundo y sexto grupo de la tabla periódica, dijo Rabani. Estos se denominan materiales «II-VI» (dos-seis).
Se pueden encontrar materiales más prometedores para los puntos cuánticos en otras partes de la tabla periódica.
Los materiales que se encuentran en los grupos tercero y quinto de la tabla periódica (materiales III-V) se utilizan en las células solares más eficientes, los LED más brillantes, los láseres semiconductores más potentes y los dispositivos electrónicos más rápidos. Potencialmente producirían fantásticos puntos cuánticos, pero, salvo pocas excepciones, era imposible utilizarlos para hacer crecer nanocristales en solución. Las temperaturas requeridas para fabricar estos materiales eran demasiado altas para cualquier disolvente orgánico conocido.
La sal fundida puede soportar el calor, haciendo accesibles estos materiales que antes eran inaccesibles.
«Este claro avance de la síntesis de sales fundidas en el que el grupo del Prof. Talapin ha sido pionero por primera vez en muchos materiales para los que anteriormente la síntesis coloidal simplemente no estaba disponible», dijo el coautor Richard D. Schaller, quien tiene una cita conjunta con el Laboratorio Nacional Argonne y Universidad del Noroeste. «Ahora se pueden lograr avances fundamentales y aplicados con muchos de estos materiales recientemente disponibles y, al mismo tiempo, ahora existe una frontera sintética completamente nueva disponible para la comunidad».
La era cuántica
Una de las razones por las que los investigadores que sintetizaban nanocristales pasaron por alto la sal fundida fue su fuerte polaridad, dijo el estudiante graduado de UChicago Zirui Zhou, segundo autor del nuevo artículo.
Los iones cargados positivamente y los iones cargados negativamente de la sal tienen una fuerte atracción entre sí. Las cosas pequeñas como los nanocristales tienen pequeñas cargas superficiales, por lo que los investigadores asumieron que la carga sería demasiado débil para empujarla hacia atrás a medida que los iones de la sal atraen. Cualquier cristal en crecimiento sería aplastado antes de que pudiera formar un material estable.
O eso pensaban los investigadores anteriores.
«Es una observación sorprendente», dijo Zhou. «Esto es muy contradictorio con lo que los científicos tradicionalmente piensan sobre estos sistemas».
La nueva técnica puede significar nuevos componentes básicos para computadoras clásicas y cuánticas mejores y más rápidas, pero para muchos miembros del equipo de investigación, la parte verdaderamente emocionante es abrir nuevos materiales para el estudio.
«Muchas eras en la historia de la humanidad están definidas por los materiales que la humanidad tenía disponibles: piense en la ‘Edad del Bronce’ o la ‘Edad del Hierro'», dijo Ondry. «En este trabajo hemos desbloqueado la capacidad de sintetizar casi una docena de nuevas composiciones de nanocristales que permitirán tecnologías futuras».
