Los puntos cuánticos están de moda. La promesa que estos diminutos protagonistas pueden suponer en el campo de la iluminación y la fotónica está haciendo que la investigación en este campo se esté intensificando. La reciente concesión del Premio Nobel de Química 2023 a los pioneros en la producción comercial de puntos cuánticos subraya la trascendencia de este campo. 

En los últimos años, los puntos cuánticos hechos de perovskita han atraído una atención especial. Estos puntos cuánticos hechos de nanocristales de este material se pueden mezclar con líquidos para formar una dispersión, lo que los hace fáciles de procesar. Además, sus propiedades ópticas especiales los hacen brillar más que muchos otros puntos cuánticos y se pueden producir de una forma más barata. 

Un equipo de investigadores dirigido por Maksym Kovalenko en ETH Zurich y Empa, trabajando en colaboración con sus homólogos en Ucrania y los EE. UU., ahora han demostrado cómo estas prometedoras propiedades de los puntos cuánticos de perovskita se pueden mejorar aún más. Utilizando métodos químicos para el tratamiento de superficies y efectos mecánicos cuánticos que nunca antes se habían observado, los investigadores consiguieron aumentar el brillo de los puntos cuánticos. 

Los átomos infelices reducen el brillo

El brillo es una medida importante para los puntos cuánticos y está relacionado con el número de fotones que el punto cuántico emite por segundo. Los puntos cuánticos irradian fotones de un color específico (y, por lo tanto, frecuencia) después de ser excitados, por ejemplo, por luz ultravioleta de una frecuencia más alta. 

Esto conduce a la formación de un excitón que consiste en un electrón, que ahora puede moverse más libremente, y un agujero, en otras palabras, un electrón que falta, en la estructura de la banda energética del material. El electrón excitado puede volver a un estado de energía más bajo y así recombinarse con el agujero. Si la energía liberada durante este proceso se convierte en un fotón, el punto cuántico emite luz.

Sin embargo, esto no siempre funciona. «En la superficie de los nanocristales de perovskita hay átomos ‘infelices’ a los que les falta un vecino en la red cristalina», explica la investigadora principal Gabriele Raino. Estos átomos de borde perturban el equilibrio entre los portadores de carga positivos y negativos dentro del nanocristal y pueden hacer que la energía liberada durante una recombinación se convierta en vibraciones en lugar de ser emitida como luz. Como resultado, el punto cuántico «parpadea», lo que significa que no brilla continuamente.

Revestimiento protector hecho de fosfolípidos

Para evitar que esto suceda, Kovalenko y su equipo han desarrollado moléculas hechas a medida conocidas como fosfolípidos. «Estos fosfolípidos son muy similares a los liposomas en los que, por ejemplo, la vacuna de ARNm contra el coronavirus está incrustada de tal manera que sea estable en el torrente sanguíneo hasta que llega a las células», explica Kovalenko. Los investigadores optimizaron sus moléculas para que la parte polar, o eléctricamente sensible, de la molécula se aferre a la superficie de los puntos cuánticos de la perovskita y se asegure de que los átomos «infelices» estén provistos de un compañero de carga.

La parte no polar del fosfolípido que sobresale en el exterior también hace posible convertir los puntos cuánticos en una dispersión dentro de soluciones no acuosas, como los disolventes orgánicos. El revestimiento lipídico en la superficie de los nanocristales de perovskita también es importante para su estabilidad estructural, como enfatiza Kovalenko: «Este tratamiento de superficie es absolutamente esencial para cualquier cosa que podamos querer hacer con los puntos cuánticos». Hasta ahora, Kovalenko y su equipo han demostrado el tratamiento para los puntos cuánticos hechos de perovskitas de haluro de plomo, pero también se puede adaptar fácilmente a otros puntos cuánticos de halogenuros metálicos. 

Aún más brillante gracias a la superradiancia

Con la superficie lipídica fue posible reducir el parpadeo de los puntos cuánticos hasta el punto de emitir un fotón en el 95 por ciento de los eventos de recombinación de agujeros de electrones. Sin embargo, para hacer que el punto cuántico sea aún más brillante, los investigadores tuvieron que aumentar la velocidad de la recombinación en sí, y eso requiere mecánica cuántica. 

Un estado excitado, como un exciton, decae cuando un dipolo (cargas positivas y negativas se desplazan entre sí) interactúa con el campo electromagnético del vacío. Cuanto más grande sea el dipolo, más rápido será la descomposición. Una posibilidad de crear un dipolo más grande implica acoplar de manera coherente varios dipolos más pequeños entre sí. Esto se puede comparar con los relojes de péndulo que están conectados mecánicamente y se conectan entre sí después de un cierto período de tiempo.

Los investigadores pudieron demostrar experimentalmente que el acoplamiento coherente también funciona en puntos cuánticos de perovskita, con un solo dipolo de excitón que, a través de efectos mecánicos cuánticos, se extiende por todo el volumen del punto cuántico, creando así varias copias de sí mismo, por así decirlo. Cuanto más grande sea el punto cuántico, más copias se pueden crear. Estas copias pueden dar lugar a un efecto conocido como superradiancia, mediante el cual el exciton se recombina mucho más rápido. En consecuencia, el punto cuántico también está listo más rápidamente para tomar un nuevo excitón y, por lo tanto, puede emitir más fotones por segundo, haciéndolo aún más brillante. Un detalle importante a tener en cuenta es que el punto cuántico más rápido continúa emitiendo fotones individuales (no varios fotones a la vez), lo que lo hace adecuado para las tecnologías cuánticas.

Los puntos cuánticos de perovskita mejorados no solo son de interés para la producción y las pantallas de luz, dice Kovalenko, sino también en otros campos menos obvios. Por ejemplo, podrían usarse como catalizadores activados por la luz en la química orgánica. Kovalenko está llevando a cabo investigaciones sobre tales aplicaciones y varias otras, incluso en el marco de la catálisis del NCCR.

Puede acceder a los paper de la investigación a través de los siguientes enlaces:

https://www.nature.com/articles/s41586-023-06932-6

https://www.nature.com/articles/s41586-023-07001-8

Imagen de portada: Ilustración Kovalenko Labs