En esta ilustración, el dispositivo espectrómetro Quantum Dot (QD) está imprimiendo filtros QD, un paso clave de fabricación. Otros enfoques de espectrómetro tienen sistemas complicados para crear las estructuras ópticas necesarias. Aquí, en el enfoque del espectrómetro QD, la estructura óptica, los filtros QD, se generan mediante la impresión de gotas de líquido. Este enfoque es único y ventajoso en términos de flexibilidad, sencillez, y reducción de costos.
Instrumentos que miden las propiedades de la luz, conocidos como espectrómetros, son ampliamente utilizados en física, químico, e investigación biológica. Estos dispositivos suelen ser demasiado grandes para ser portátiles, pero los científicos del MIT ahora han demostrado que pueden crear espectrómetros lo suficientemente pequeños como para caber dentro de la cámara de un teléfono inteligente, utilizando diminutas nanopartículas semiconductoras llamadas puntos cuánticos.
Tales dispositivos podrían usarse para diagnosticar enfermedades, especialmente afecciones de la piel, o para detectar contaminantes ambientales y condiciones alimentarias, dice Jie Bao, ex postdoctorado del MIT y autor principal de un artículo que describe los espectrómetros de puntos cuánticos en la edición del 2 de julio de Naturaleza .
Este trabajo también representa una nueva aplicación para puntos cuánticos, que se han utilizado principalmente para marcar células y moléculas biológicas, así como en pantallas de computadora y televisión.
"El uso de puntos cuánticos para espectrómetros es una aplicación tan sencilla en comparación con todo lo demás que hemos intentado hacer, y creo que eso es muy atractivo "dice Moungi Bawendi, el profesor Lester Wolfe de química en el MIT y autor principal del artículo.
Espectrómetros de encogimiento
Los primeros espectrómetros consistían en prismas que separan la luz en sus longitudes de onda constituyentes, mientras que los modelos actuales utilizan equipos ópticos como rejillas de difracción para lograr el mismo efecto. Los espectrómetros se utilizan en una amplia variedad de aplicaciones, como estudiar procesos atómicos y niveles de energía en física, o analizar muestras de tejido para la investigación y el diagnóstico biomédicos.
Reemplazar ese voluminoso equipo óptico con puntos cuánticos permitió al equipo del MIT reducir los espectrómetros a aproximadamente el tamaño de un cuarto de dólar de EE. UU. y aprovechar algunas de las útiles propiedades inherentes de los puntos cuánticos.
Puntos cuánticos, un tipo de nanocristales descubierto a principios de la década de 1980, se fabrican combinando metales como el plomo o el cadmio con otros elementos, incluido el azufre, selenio, o arsénico. Controlando la proporción de estos materiales de partida, la temperatura, y el tiempo de reacción, Los científicos pueden generar un número casi ilimitado de puntos con diferencias en una propiedad electrónica conocida como bandgap, que determina las longitudes de onda de luz que absorberá cada punto.
Sin embargo, la mayoría de las aplicaciones existentes para puntos cuánticos no aprovechan este amplio rango de absorbancia de luz. En lugar de, la mayoría de las aplicaciones, como etiquetar celdas o nuevos tipos de pantallas de TV, explotar la fluorescencia de los puntos cuánticos, una propiedad que es mucho más difícil de controlar, Dice Bawendi. "Es muy difícil hacer algo que tenga una fluorescencia muy brillante, ", dice." Tienes que proteger los puntos, tienes que hacer toda esta ingeniería ".
Los científicos también están trabajando en células solares basadas en puntos cuánticos, que dependen de la capacidad de los puntos para convertir la luz en electrones. Sin embargo, este fenómeno no se comprende bien, y es difícil de manipular.
Por otra parte, Las propiedades de absorción de los puntos cuánticos son bien conocidas y muy estables. "Si podemos confiar en estas propiedades, es posible crear aplicaciones que tendrán un mayor impacto en el relativamente corto plazo, "Dice Bao.
Amplio espectro
El nuevo espectrómetro de puntos cuánticos despliega cientos de materiales de puntos cuánticos, cada uno de los cuales filtra un conjunto específico de longitudes de onda de luz. Los filtros de puntos cuánticos se imprimen en una película delgada y se colocan encima de un fotodetector, como los dispositivos de carga acoplada (CCD) que se encuentran en las cámaras de los teléfonos móviles.
Los investigadores crearon un algoritmo que analiza el porcentaje de fotones absorbidos por cada filtro, luego recombina la información de cada uno para calcular la intensidad y longitud de onda de los rayos de luz originales.
Cuantos más materiales de puntos cuánticos haya, cuantas más longitudes de onda se puedan cubrir y mayor resolución se podrá obtener. En este caso, los investigadores utilizaron alrededor de 200 tipos de puntos cuánticos repartidos en un rango de unos 300 nanómetros. Con más puntos, tales espectrómetros podrían diseñarse para cubrir un rango aún más amplio de frecuencias de luz.
"Bawendi y Bao mostraron una manera hermosa de explotar la absorción óptica controlada de puntos cuánticos semiconductores para espectrómetros en miniatura. Demuestran un espectrómetro que no solo es pequeño, pero también con alto rendimiento y alta resolución espectral, que nunca se ha logrado antes, "dice Feng Wang, profesor asociado de física en la Universidad de California en Berkeley que no participó en la investigación.
Si se incorpora a pequeños dispositivos de mano, este tipo de espectrómetro podría usarse para diagnosticar afecciones de la piel o analizar muestras de orina, Dice Bao. También podrían usarse para rastrear signos vitales como el pulso y el nivel de oxígeno, o para medir la exposición a diferentes frecuencias de luz ultravioleta, que varían mucho en su capacidad para dañar la piel.
"El componente central de tales espectrómetros, la matriz de filtros de puntos cuánticos, se fabrica con procesamiento e impresión basados en soluciones, permitiendo así una significativa reducción de costes potenciales, ", Agrega Bao.
