Un nuevo método mejora la producción de puntos cuánticos luminiscentes de tamaño controlado
20 de junio de 2024
En una investigación realizada en la USP y publicada en la revista Scientific Reports , se monitoreó en tiempo real el diámetro de puntos cuánticos de semiconductores utilizando la frecuencia de la luz emitida
José Tadeu Arantes | Agência FAPESP – La luminiscencia es un fenómeno que se observa en materiales que absorben luz en un determinado rango de frecuencia y luego la reemiten en diferentes frecuencias. A través de la absorción, los electrones en el estado electrónico fundamental del material se excitan a un estado de mayor energía. Después de un tiempo, característico de cada estado excitado, decaen a estados de menor energía, incluido el estado fundamental, emitiendo luz. Este fenómeno permite una variedad de aplicaciones tecnológicas, a través de dispositivos emisores reproducibles y de alta eficiencia, que pueden miniaturizarse fácilmente.
Entre los materiales que exhiben mayor eficiencia de luminiscencia destacan los puntos cuánticos ( Quantum Dots , QDs) , utilizados actualmente en pantallas luminiscentes de alta resolución, LED, paneles solares y sensores de diversos tipos, incluso para exámenes médicos de precisión a gran escala. La funcionalización de la superficie de los QD con diferentes tipos de moléculas permite la interacción con estructuras celulares u otras moléculas de interés, lo que permite la investigación de procesos biológicos a nivel molecular.
Los puntos cuánticos son nanopartículas semiconductoras cuyas características emisivas están directamente relacionadas con el tamaño de los puntos, debido al fenómeno del confinamiento cuántico. Por esta razón, monitorear y controlar el crecimiento cristalino durante la síntesis de QD en solución ofrece la oportunidad de una planificación inteligente de la luminiscencia deseada. En un trabajo publicado en la revista Scientific Reports , investigadores del grupo del profesor Andrea de Camargo , del Instituto de Física de São Carlos de la Universidad de São Paulo (IFSC-USP), y colaboradores de la Universidad de Kiel, en Alemania, presentaron un nuevo enfoque para monitorear la formación de QD.
“Utilizamos telururo de cadmio [CdTe] como sistema modelo y controlamos, mediante análisis de luminiscencia in situ , el proceso de crecimiento de nanopartículas en solución acuosa calentada”, dice Pedro Felipe García Martins da Costa , estudiante de doctorado en el IFSC-USP y primer autor de el artículo.
Sin interferir con la síntesis de QD, la técnica permite monitorear en tiempo real lo que sucede en la solución, es decir, monitorear el crecimiento cristalino a través del color (frecuencia) de la emisión detectada. “La síntesis se realiza utilizando una mezcla de soluciones precursoras de iones cadmio (Cd 2+ ) y teluro (Te 2- ), en presencia de un reactivo para control de tamaño. A medida que aumenta la temperatura se inicia la reacción química, mediante el acercamiento y agrupación de iones teluro y cadmio. A medida que avanza la reacción, unidades de CdTe adicionales se unen de forma esférica en un proceso llamado autoensamblaje. Gracias al seguimiento rápido y preciso de las frecuencias de emisión, se puede estimar el tamaño de las nanopartículas. Los QD de telururo de cadmio con un diámetro de alrededor de 1 a 2 nanómetros (nm) emiten en la región azul y verde del espectro visible, mientras que los QD más grandes, en el rango de 4 a 5 nm, emiten en frecuencias más bajas, como el amarillo y el rojo. , respectivamente”, explica Leonnam Gotardo Merizio , becario postdoctoral del IFSC-USP y coautor del artículo.
Costa destaca la ventaja del nuevo método en relación con la estrategia de síntesis convencional. “En la técnica convencional, es necesario extraer pequeñas alícuotas de muestra de la solución para medir el tamaño de los puntos cuánticos. En la técnica in situ , las mediciones se realizan mientras ocurre el proceso, sin necesidad de interferir en el medio de reacción mediante la toma de muestras. Esto permite obtener un mayor número de espectros por unidad de tiempo, además de no alterar el volumen de reacción y evitar descartes innecesarios. De esta forma, la técnica permite controlar, de forma mucho más precisa, el color de emisión de los QD de interés. El mismo equipo que entrega la luz de excitación, a través de una fibra óptica, en la longitud de onda adecuada, también se encarga de recoger la luz emitida y determinar su frecuencia característica, en el sistema de color RGB [del inglés, red, green and blue ]. Cabe mencionar que controlar el sistema RGB es relevante para la formación de imágenes en diversos dispositivos luminiscentes, como monitores y pantallas de celulares”, afirma.
El investigador añade que los QD así sintetizados se caracterizaron además mediante análisis de difracción de rayos X, microscopía electrónica de transmisión, espectroscopia de absorción UV-Vis y espectroscopia vibratoria infrarroja.
La existencia de puntos cuánticos fue predicha teóricamente en 1937 por el físico alemán naturalizado británico Herbert Fröhlich (1905-1991). En la década de 1980, Alexey Ekimov (nacido en 1945) en la antigua Unión Soviética y Louis Brus (nacido en 1943) en Estados Unidos observaron por primera vez el fenómeno del confinamiento cuántico en nanopartículas semiconductoras. En los años 1990, el francés de origen tunecino Moungi Bawendi (nacido en 1961) también contribuyó a estudios sobre la mejora de la síntesis de nanopartículas mediante diferentes técnicas. En 2023, los tres, Ekimov, Brus y Bawendi, recibieron el Premio Nobel de Química por sus contribuciones al desarrollo de este material.
“El efecto de confinamiento cuántico confiere a los QD la capacidad de confinar electrones en tres dimensiones reducidas, haciendo más evidentes los fenómenos cuánticos y caracterizándolos como materiales intermedios entre átomos, moléculas y clusters cristalinos de mayor tamaño”, comenta Costa.
“Aunque existen muchas publicaciones que informan sobre la síntesis de QD de CdTe, el mayor aporte del trabajo en cuestión es el desarrollo y aplicación del sistema de medición de luminiscencia in situ , que es extremadamente versátil. Además de permitir inferir los tamaños de nanopartículas cristalinas, como en este caso modelo, la metodología también permite caracterizar la formación de compuestos intermedios en reacciones químicas, mediante asociación in situ de otras técnicas que permitan la inferencia química y/o estructural. análisis [FT-IR, Raman, XRD, etc.]. En general, este enfoque permite evaluar la evolución de los procesos de síntesis, lo que resulta en la optimización del rendimiento químico y el ahorro de energía”, dice Camargo.
El estudio contó con el apoyo de la FAPESP a través de cuatro proyectos ( 13/07793-6 , 20/05627-5 , 21/01170-3 y 22/07667-0 ).
Se puede acceder completo al artículo Monitoreo en tiempo real del crecimiento de puntos cuánticos de CdTe en solución acuosa en: www.nature.com/articles/s41598-024-57810-8 .
FAPESP