El Premio Nobel de Química de 2023 no es el primer Nobel otorgado por investigación en nanotecnología. Pero es quizás la aplicación más colorida de la tecnología asociada con este galardón.
El premio de este año reconoce a Moungi Bawendi, Louis Brus y Alexei Ekimov por el descubrimiento y desarrollo de los puntos cuánticos. Durante muchos años, estas partículas de tamaño nanométrico construidas con precisión (de apenas unos cientos de milésimas del ancho de un cabello humano en diámetro) fueron las favoritas de los lanzamientos y presentaciones de la nanotecnología. Como investigador y asesor en nanotecnología, incluso los he utilizado cuando hablé con desarrolladores, formuladores de políticas, grupos de defensa y otros sobre las promesas y los peligros de la tecnología.
Los orígenes de la nanotecnología son anteriores al trabajo de Bawendi, Brus y Ekimov sobre los puntos cuánticos:el físico Richard Feynman especuló sobre lo que podría ser posible mediante la ingeniería a nanoescala ya en 1959, e ingenieros como Erik Drexler especulaban sobre las posibilidades de una fabricación atómicamente precisa en el Década de 1980. Sin embargo, el trío de premios Nobel de este año fue parte de la primera ola de nanotecnología moderna donde los investigadores comenzaron a poner en práctica los avances en la ciencia de los materiales.
Los puntos cuánticos emiten una fluorescencia brillante:absorben un color de luz y lo reemiten casi instantáneamente como otro color. Un vial de puntos cuánticos, cuando se ilumina con luz de amplio espectro, brilla con un único color vivo. Sin embargo, lo que los hace especiales es que su color está determinado por su tamaño. Hazlos pequeños y obtendrás un azul intenso. Hazlos más grandes, aunque todavía a nanoescala, y el color cambiará a rojo.
Esta propiedad ha dado lugar a muchas imágenes llamativas de filas de viales que contienen puntos cuánticos de diferentes tamaños, que van desde un azul llamativo en un extremo, pasando por verdes y naranjas, hasta un rojo vibrante en el otro. Esta demostración del poder de la nanotecnología es tan llamativa que, a principios de la década de 2000, los puntos cuánticos se convirtieron en un símbolo de la extrañeza y la novedad de la nanotecnología.
Pero, por supuesto, los puntos cuánticos son más que un truco de salón visualmente atractivo. Demuestran que se pueden lograr interacciones únicas, controlables y útiles entre la materia y la luz mediante la ingeniería de la forma física de la materia (modificando el tamaño, la forma y la estructura de objetos o instancias) en lugar de jugar con los enlaces químicos entre átomos y moléculas. La distinción es importante y está en el corazón de la nanotecnología moderna.
Las longitudes de onda de la luz que un material absorbe, refleja o emite suelen estar determinadas por los enlaces químicos que unen los átomos que lo constituyen. Juega con la química de un material y será posible ajustar estos enlaces para que te den los colores que deseas. Por ejemplo, algunos de los primeros tintes comenzaban con una sustancia transparente como la analina, que se transformaba mediante reacciones químicas en el tono deseado.
Es una forma eficaz de trabajar con la luz y el color, pero también genera productos que se desvanecen con el tiempo a medida que esos enlaces se degradan. También implica con frecuencia el uso de productos químicos que son perjudiciales para los seres humanos y el medio ambiente.
Los puntos cuánticos funcionan de manera diferente. En lugar de depender de enlaces químicos para determinar las longitudes de onda de la luz que absorben y emiten, dependen de grupos muy pequeños de materiales semiconductores. Es la física cuántica de estos cúmulos la que determina qué longitudes de onda de luz se emiten, y esto a su vez depende de cuán grandes o pequeños sean los cúmulos.
Esta capacidad de ajustar el comportamiento de un material simplemente cambiando su tamaño cambia las reglas del juego cuando se trata de la intensidad y la calidad de la luz que los puntos cuánticos pueden producir, así como su resistencia al blanqueamiento o la decoloración, sus usos novedosos y, si se diseñan, inteligentemente:su toxicidad.
Por supuesto, pocos materiales son completamente atóxicos y los puntos cuánticos no son una excepción. Los primeros puntos cuánticos a menudo se basaban en seleniuro de cadmio, por ejemplo, cuyos materiales componentes eran tóxicos. Sin embargo, la toxicidad potencial de los puntos cuánticos debe equilibrarse con la probabilidad de liberación y exposición y cómo se comparan con las alternativas.
Desde sus inicios, la tecnología de puntos cuánticos ha evolucionado en seguridad y utilidad y se ha introducido en un número cada vez mayor de productos, desde pantallas e iluminación hasta sensores, aplicaciones biomédicas y más. En el proceso, tal vez parte de su novedad haya desaparecido. Puede ser difícil recordar qué tan grande es el salto cualitativo de la tecnología que se está utilizando para promocionar la última generación de televisores llamativos, por ejemplo.
Y, sin embargo, los puntos cuánticos son una parte fundamental de una transición tecnológica que está revolucionando la forma en que las personas trabajan con átomos y moléculas.
En mi libro "Películas del futuro:la tecnología y la moralidad de las películas de ciencia ficción", escribo sobre el concepto de "codificación base". La idea es simple:si las personas pueden manipular el código más básico que define el mundo en el que vivimos, podemos comenzar a rediseñarlo y rediseñarlo.
Este concepto es intuitivo cuando se trata de informática, donde los programadores utilizan el "código base" de unos y ceros, aunque a través de lenguajes de nivel superior. También tiene sentido en biología, donde los científicos se están volviendo cada vez más expertos en leer y escribir el código base del ADN y el ARN; en este caso, utilizando las bases químicas adenina, guanina, citosina y timina como lenguaje de codificación.
Esta capacidad de trabajar con códigos básicos también se extiende al mundo material. Aquí, el código se compone de átomos y moléculas y de cómo se organizan de manera que conducen a propiedades novedosas.
El trabajo de Bawendi, Brus y Ekimov sobre puntos cuánticos es un ejemplo perfecto de esta forma de codificación básica del mundo material. Al formar con precisión pequeños grupos de átomos particulares en "puntos" esféricos, pudieron aprovechar nuevas propiedades cuánticas que de otro modo serían inaccesibles. A través de su trabajo demostraron el poder transformador que se obtiene al codificar con átomos.
Allanaron el camino para una codificación básica a nanoescala cada vez más sofisticada que ahora está dando lugar a productos y aplicaciones que no serían posibles sin ella. Y fueron parte de la inspiración para una revolución nanotecnológica que continúa hasta el día de hoy. Reingeniería del mundo material de esta manera novedosa trasciende con creces lo que se puede lograr mediante tecnologías más convencionales.
Esta posibilidad fue capturada en un informe del Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología de Estados Unidos de 1999 con el título Nanotecnología:dando forma al mundo átomo por átomo. Si bien no menciona explícitamente los puntos cuánticos (una omisión que estoy seguro de que los autores ahora se están olvidando), sí captó cuán transformadora podría ser la capacidad de diseñar materiales a escala atómica.
Esta configuración del mundo a nivel atómico es exactamente a lo que aspiraban Bawendi, Brus y Ekimov a través de su trabajo innovador. Fueron algunos de los primeros "codificadores de bases" de materiales, ya que utilizaron ingeniería atómicamente precisa para aprovechar la física cuántica de partículas pequeñas, y el reconocimiento del comité Nobel de la importancia de esto es bien merecido.
Proporcionado por The Conversation
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