Galardonado con el Premio Nobel de Química 2023, los puntos cuánticos tienen una amplia variedad de aplicaciones, desde pantallas y luces LED hasta catálisis de reacciones químicas y bioimagen. Estos nanocristales semiconductores son tan pequeños (del orden de nanómetros) que sus propiedades, como el color, dependen del tamaño y comienzan a exhibir propiedades cuánticas. De hecho, esta tecnología está bien desarrollada, pero sólo en el espectro visible, lo que deja sin explotar oportunidades para tecnologías tanto en las regiones ultravioleta como infrarroja del espectro electromagnético.
En un nuevo estudio publicado en Síntesis de la naturaleza, el profesor de bioingeniería de Urbana-Champaign, Andrew Smith, y el investigador postdoctoral Wonseok Lee desarrollaron nanocristales de seleniuro de mercurio (HgSe) y seleniuro de mercurio y cadmio (HgCdSe) que absorben y emiten en un marco ya bien formado. precursor del seleniuro (CdSe). Los nuevos productos de nanocristales conservaron las propiedades deseadas de los nanocristales de CdSe originales, incluidos el tamaño, la forma y la uniformidad.
“Éste es el primer ejemplo de puntos cuánticos infrarrojos que tienen el mismo nivel de calidad que los del espectro visible”, afirma Smith.
Aunque la tecnología de nanocristales existe desde hace más de 50 años, sólo los nanocristales que operan en la parte visible del espectro han avanzado significativamente. “Son una gran parte de los dispositivos de visualización”, explica Smith. “Y una gran parte de cualquier tecnología que absorba o emita luz. En este momento existe un impulso intrínseco para desarrollar una tecnología que al final tenga el mercado más grande. del día.”
Además de la demanda del mercado de nanocristales del espectro visible, la química es más desafiante para los materiales en el infrarrojo, que tienen longitudes de onda más largas y menor energía que la luz en el espectro visible. Para obtener la absorción y emisión de luz en el infrarrojo, es necesario utilizar elementos con pesos más bajos en la tabla periódica. La química con estos elementos es más difícil y provoca más reacciones secundarias no deseadas y reacciones menos predecibles. También son propensos a la degradación y, como el agua, son sensibles a los cambios ambientales en el medio ambiente.
Los nanocristales de puntos cuánticos pueden fabricarse a partir de semiconductores elementales, como el silicio, o pueden ser binarios o ternarios. La combinación de dos elementos puede producir muchas propiedades diferentes, la combinación de tres elementos puede producir exponencialmente más propiedades. “Nos estamos centrando en este tipo de material, un compuesto ternario (seleniuro de mercurio y cadmio) porque creemos que podría ser el material ‘perfecto'”, dice Smith. “Básicamente, puedes obtener la propiedad que deseas cambiando la proporción de átomos de cadmio y mercurio. Puede abarcar este enorme rango del espectro electromagnético (desde todo el espectro infrarrojo hasta todo el espectro visible) y mucho más. Puede adquirir propiedades. “
Smith había estado intentando crear este material desde que estaba en la escuela de posgrado sin suerte, e incluso en la comunidad de investigación en general, no ha habido informes de éxito hasta ahora. “La forma en que lo hicimos fue tomando uno que ya era perfecto y visible (el seleniuro de cadmio, considerado el punto cuántico más avanzado) y usándolo como una ‘plantilla de sacrificio'”, dice.
Al sustituir los átomos de cadmio por átomos de mercurio, todo pasa inmediatamente al espectro infrarrojo, conservando todas las cualidades deseadas: fuerte absorción de luz, fuerte emisión de luz y uniformidad.
Para ello, Smith y Lee tuvieron que abandonar el método tradicional de síntesis de nanocristales, que consiste en combinar elementos precursores y, en las condiciones adecuadas, descomponerlos en la forma de nanocristal deseada. Resulta que no existen condiciones que se puedan encontrar para que funcionen el mercurio, el cadmio y el seleniuro.
“Lee desarrolló un nuevo proceso llamado intercambio catiónico mejorado por interdifusión”, dice Smith. “En este proceso, añadimos un cuarto elemento, la plata, que introduce defectos en el material que hacen que todo se mezcle uniformemente. Y eso resolvió todo el problema”.
Si bien los puntos cuánticos tienen muchas aplicaciones, una aplicación de los puntos cuánticos infrarrojos que tiene el potencial de ser más impactante es como sondas moleculares para obtener imágenes, donde se pueden insertar en sistemas biológicos y se pueden detectar en los tejidos. Dado que la mayoría de los puntos cuánticos emiten en el espectro visible, sólo se pueden detectar emisiones cerca de la superficie de la piel. El organismo, sin embargo, es bastante transparente en el infrarrojo y, por tanto, se pueden investigar tejidos más profundos.
Los ratones son modelos estándar para la mayoría de las enfermedades, y Smith explica que con los puntos cuánticos que emiten en el infrarrojo, los investigadores pueden mirar casi por completo a través de un ratón vivo para ver su fisiología y la ubicación de moléculas específicas en todo el cuerpo. Esto permitirá una mejor comprensión de los procesos biológicos y el desarrollo de tratamientos sin sacrificar ratones, revolucionando potencialmente el desarrollo de fármacos clínicos.
Andrew Smith también está afiliado al Laboratorio de Micro y Nanotecnología Holoniak, el Instituto Carl R. Voss de Biología Genómica, el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales, el Centro Oncológico de Illinois y la Facultad de Medicina Carl Illinois en Illinois.
Wonseok Lee también está afiliado al Laboratorio de Micro y Nanotecnología Holoniak en Illinois.
La investigación fue financiada por los Institutos Nacionales de Salud y la Fundación Nacional de Ciencias.
