La preparación de puntos cuánticos semiconductores es a veces más un arte negro que una ciencia. Eso representa un obstáculo para seguir avanzando en, por ejemplo, creando mejores células solares o dispositivos de iluminación, donde los puntos cuánticos ofrecen ventajas únicas que serían particularmente útiles si pudieran usarse como bloques de construcción básicos para construir arquitecturas a nanoescala más grandes.

Andrew Greytak, químico de la Facultad de Artes y Ciencias de la Universidad de Carolina del Sur, dirige un equipo de investigación que está haciendo que el proceso de síntesis de puntos cuánticos sea mucho más sistemático. Su grupo acaba de publicar un artículo en Química de Materiales detallando un nuevo método eficaz para purificar nanocristales de CdSe con propiedades superficiales bien definidas.

Su proceso utiliza cromatografía de permeación en gel (GPC) para separar los puntos cuánticos de las impurezas de moléculas pequeñas. y el equipo fue más allá en la caracterización de los nanocristales mediante una variedad de métodos analíticos. Una comparación de sus puntos cuánticos purificados con los purificados por el método tradicional de múltiples ciclos de solvatación y precipitación subrayó la utilidad del nuevo método en la preparación de nanocristales semiconductores uniformes altamente susceptibles de manipulación sintética adicional.

Puntos cuánticos

Puntos cuánticos, que son nanocristales con diámetros en el rango de 5-10 nanómetros, tienen propiedades ópticas y otras propiedades físicas diferentes de las de los cristales más grandes. El tamaño reducido les permite absorber y emitir colores diferentes a las cantidades a granel del mismo compuesto debido a los efectos de la mecánica cuántica; también tienen relaciones de superficie a volumen muy grandes y pueden ser sensibles a los tratamientos superficiales.

El laboratorio de Greytak suele preparar puntos cuánticos en disolventes hidrófobos (como el 1-octadeceno), por lo que salen "tapados" con moléculas hidrófobas y se disuelven fácilmente en disolventes no polares. "La forma en que funciona el proceso, siempre tiene una cantidad significativa de material de partida sin reaccionar, disolventes de alto punto de ebullición y tensioactivos adicionales que son importantes para la síntesis, ", dijo Greytak." Pero una vez que se completa la síntesis, son impurezas que deben eliminarse ".

El método histórico de purificación de puntos cuánticos son los ciclos de solvatación, precipitación (como con alcohol), decantación de impurezas y resolvatación. Aunque el método se ha utilizado durante unos 20 años, tiene un defecto fundamental.

"Con el proceso de precipitación y redisolución, en realidad, no está haciendo la separación en función del tamaño de la partícula, lo está haciendo sobre la base de la solubilidad, "dijo Greytak." Entonces, si tiene impurezas que tienen cualidades de solubilidad similares a las de la partícula, no se eliminan ".

Cromatografía de exclusión molecular

Greytak dirigió a su equipo, que incluía a los estudiantes de posgrado Yi Shen, Megan Gee y Rui Tan, en el desarrollo de GPC como una alternativa altamente eficaz. Una técnica de exclusión de tamaño, GPC separa las especies químicas de acuerdo con el peso molecular y se usa comúnmente con macromoléculas.

En comparación con los materiales preparados mediante el proceso de precipitación y resolvatación, los puntos cuánticos purificados con GPC tenían una estabilidad mucho mejor a alta temperatura. Es más, una serie de mediciones de RMN asistidas por el profesor asociado de investigación de la USC, Perry Pellechia, indicó que el método GPC era mucho más efectivo para eliminar ligandos débilmente adsorbidos de la superficie del punto cuántico.

Llevando adelante un proceso sintético

El equipo examinó además la idoneidad de los puntos cuánticos para una mayor manipulación sintética. De nuevo, los productos purificados con GPC fueron superiores, tanto en el crecimiento de la capa de CdS en puntos cuánticos de CdSe como en el intercambio de ligando de cisteína en puntos cuánticos de CdSe / CdxZn1-xS.

Greytak ve el método como un paso fundamental hacia adelante para poder manipular aún más los puntos cuánticos, ya sea en la construcción de arquitecturas más grandes o afirmando el control sobre cómo se comportan los coloides de nanocristales en solución.

"Lo que nos gusta decir es que estamos desarrollando una secuencia química preparativa para nanocristales semiconductores, ", dijo Greytak." En la mayoría de la química sintética, tienes un material de partida, haces una reacción, y se pasa por una serie de intermedios con estructuras bien definidas que pueden aislarse. Para un nanomaterial, es mucho mas dificil, porque no estamos haciendo moléculas, estamos creando una población de partículas que tiene, digamos, un radio de dos nanómetros. No son todos idénticos y lograr un producto consistente ha sido un desafío, tanto en términos de cómo aislarlo como de caracterizarlo.

"Así que realmente estamos trabajando para poder caracterizar una muestra, con, decir RMN y análisis termogravimétrico, y poder predecir realmente con confianza cómo va a reaccionar en un paso posterior ".