Premio Nobel de Química a las semillas de la nanotecnología

La belleza se encuentra en las cosas pequeñas, o al menos eso es lo que han debido pensar en la academia sueca al galardonar a Moungi G. Bawendi, Louis E. Brus y Alexei I. Ekimov el Premio Nobel de Química 2023. Estos investigadores han sido claves en el desarrollo y producción de los denominados “puntos cuánticos”; partículas tan pequeñas que su propio tamaño determina sus propiedades. La utilidad de estas partículas cubre un espectro amplísimo de aplicaciones; desde las luces LED hasta la biomedicina.

La ciencia soviética

A finales de los años 30 del siglo pasado, los físicos trataban en entender cómo cambiaban las propiedades de los materiales cuando se iba reduciendo más y más su tamaño. Según iban avanzando en sus estudios, fueron creando una base teórica potente y en ese momento, se dieron cuenta que las propiedades de un material podían depender en las dimensiones macroscópicas. Es decir, cuando se adentraban en un mundo lo suficientemente pequeño, con cambiar el tamaño de una partícula se podía cambiar también la forma en que esta partícula interaccionaba con el medio.

En 1979, Alexei Ekimov, un joven doctor en física de semiconductores en la antigua Unión Soviética trataba de comprender cómo podía modificar el tamaño de partículas formadas por cobre y cloro dentro de un cristal. Mediante un preciso control de la temperatura y del tiempo del tratamiento, él y su equipo conseguían aumentar o disminuir el tamaño de las minúsculas partículas de CuCl.

Dos años más tarde ya tenían completamente dominado el proceso de formación de los cristales, observaron una propiedad muy interesante: Cuanto menor era el tamaño de las partículas que metían en el cristal, el objeto emitía una luz con una longitud de onda menor, es decir, su color viraba hacia el azul. Esta demostración era la prueba que Ekimov necesitaba, había demostrado que el tamaño de un objeto podía modificar sus propiedades ópticas. El doctor atribuyó este efecto a la física cuántica, ya que cumplía perfectamente con las ecuaciones que teorizaban su comportamiento.

La ciencia americana

Unos años después, en 1983, Louis Brus descubrió un efecto similar, pero en un líquido y con partículas en suspensión. Brus creó cristales de sulfato de cadmio de unos 4,5 nanómetros de diámetro. En el líquido en el que las estaba preparando había una serie de compuestos químicos que evitaban que se uniesen entre ellas. Sin embargo, al dejarlas toda la noche, los pequeños cristales se disolvían y volvían a precipitar en un tamaño unas 3 veces más grande, de 12,5 nm.

Al comparar las propiedades de ambas partículas, notaron que las recién hechas, más pequeñas, eran “más azuladas” que las más grandes. Con estas pruebas demostraron, de nuevo que el tamaño influía en las propiedades. Desafortunadamente, Brus no conocía los trabajos de Ekimov, porque la trasmisión del conocimiento era bastante más lenta que en la actualidad y muchos de los autores no sabían que se encontraban investigando campos similares. Ahora bien, Ekimov había demostrado lo que sucedía con las partículas en un medio sólido, y Brus en un medio líquido, por lo que, a pesar de llegar a las mismas conclusiones, eran métodos muy distintos.

Ya tenemos puntos cuánticos ¿Y ahora qué?

El problema principal con el método de Ekimov es que los puntos estaban atrapados en cristal y, por tanto, no se podían utilizar. Los de Brus, en cambio, estaban libres, pero las aplicaciones de nanopartículas de sulfato de cadmio son muy limitadas. Por ello, en otros laboratorios empezaron a experimentar con nanopartículas formadas por otros elementos, que mostraban propiedades muy interesantes para controlar reacciones químicas. Por poner algunos ejemplos, las nanopartículas de dióxido de titanio son capaces de transformar el ácido acético en metano, es decir, en combustible, y con dióxido de rutherfordio y platino se puede romper la molécula de agua en hidrógeno y oxígeno.

Pero con estos materiales surgían nuevos problemas. Para que un punto cuántico del material que sea funcione con las propiedades que se necesitan, las partículas han de ser lo más homogéneas posible. Si en una mezcla hay partículas de distinto tamaño, las propiedades cuánticas se pierden y, por tanto, pierden su utilidad. Por ello, en 1993, Moungi Bawendi desarrolló un método de síntesis que permitía obtener gran cantidad de nanopartículas con un tamaño muy similar y a un coste razonable.

El método emplea sustancias con compuestos formados por sustancias orgánicas y metálicas que se disuelven en un líquido a alta temperatura. Cuando este líquido se evapora, la concentración de los compuestos disueltos aumenta y se unen entre ellos formando las nanopartículas. Modificando la temperatura y la presión, el equipo de Bawendi pudo controlar el tamaño exacto de la nanopartícula deseada y producirla en grandes cantidades.

QUE NO TE LA CUELEN:

• En la actualidad la producción de nanopartículas ha escalado a cantidades industriales para distintas aplicaciones. Sin ir más lejos, las pantallas con tecnología QLED emplean estas nanopartículas para cambiar el color de la luz y ofrecer, así, una mayor nitidez que con las tecnologías anteriores. Aunque, sin duda, el campo estrella de la nanotecnología es la biomedicina.
• En la actualidad, se están desarrollando un gran número de aplicaciones y tratamientos que dependen de las propiedades de estos materiales para su funcionamiento. Por tanto, desde nuevos medicamentos contra el cáncer hasta las pantallas que vemos a diario, el Premio Nobel de Química 2023 sin duda ha sido una verdadera revolución para el mundo como lo conocemos.

Referencias (MLA):

• The Nobel Prize in Chemistry 2023. NobelPrize.org. Nobel Prize Outreach AB 2023. Wed. 4 Oct 2023.