Nanocristales: Del visible al infrarrojo, una nueva era de calidad

Los puntos cuánticos, galardonados con el Premio Nobel de Química 2023, tienen una amplia gama de aplicaciones que van desde pantallas y luces LED hasta la catálisis de reacciones químicas y la bioimagen. Estos nanocristales semiconductores son tan pequeños, del orden de los nanómetros, que sus propiedades, como el color, dependen del tamaño, y comienzan a exhibir propiedades cuánticas. Esta tecnología se ha desarrollado muy bien, pero solo en el espectro visible, dejando oportunidades sin explotar para tecnologías tanto en las regiones ultravioleta como infrarroja del espectro electromagnético.

En una nueva investigación publicada en Nature Synthesis, el profesor de bioingeniería de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign Andrew Smith y el investigador postdoctoral Wonseok Lee han desarrollado nanocristales de seleniuro de mercurio (HgSe) y seleniuro de cadmio de mercurio (HgCdSe) que absorben y emiten en el infrarrojo, hechos de precursores de seleniuro de cadmio (CdSe) de espectro visible ya bien desarrollados. Los nuevos productos de nanocristales conservaron las propiedades deseadas de los nanocristales parentales de CdSe, incluidos el tamaño, la forma y la uniformidad.

“Este es el primer ejemplo de puntos cuánticos infrarrojos que están al mismo nivel de calidad que los que están en el espectro visible”, dice Smith.

Aunque la tecnología de nanocristales existe desde hace más de 50 años, solo los nanocristales que operan en la parte visible del espectro se han desarrollado significativamente. Smith explica: “Son una parte importante de los dispositivos de visualización. Y una parte importante de cualquier tecnología que absorba o emita luz. Simplemente ha habido un impulso intrínseco a desarrollar una tecnología que tenga el mayor mercado al final del día”.

Más allá de la demanda del mercado de nanocristales de espectro visible, la química es más difícil para los materiales en el infrarrojo, que es una longitud de onda más larga y una energía más baja que la luz en el espectro visible. Para lograr la absorción y emisión de luz en el infrarrojo, es necesario utilizar elementos más pesados que se encuentran más abajo en la tabla periódica. La química con esos elementos es más difícil, produciendo más reacciones secundarias no deseadas y reacciones menos predecibles. También son propensos a la degradación y son susceptibles a cambios ambientales ambientales, como el agua.

Los nanocristales de puntos cuánticos se pueden hacer a partir de semiconductores elementales, como el silicio, o pueden ser binarios o ternarios. La mezcla de dos elementos puede producir muchas propiedades diferentes, la mezcla de tres elementos juntos puede producir exponencialmente más propiedades. “Nos hemos estado centrando en este tipo de material, una aleación ternaria: el seleniuro de cadmio de mercurio, porque creemos que podría ser el material ‘perfecto’ para hacer”, dice Smith. “Básicamente podrías obtener cualquier propiedad que quieras cambiando la proporción de átomos de cadmio y mercurio. Puede abarcar esta enorme gama del espectro electromagnético, a través de todo el infrarrojo hasta todo el espectro visible, y obtener tantas propiedades”.

Smith había estado tratando de hacer este material desde que estaba en la escuela de posgrado sin suerte, e incluso en la comunidad de investigación más amplia, no ha habido informes de éxito, hasta ahora. “La forma en que lo hicimos fue tomando los ya perfeccionados, los visibles, el seleniuro de cadmio, que se considera el punto cuántico más desarrollado, y usarlo como un ‘molde de sacrificio'”, dice. 

Reemplazar los átomos de cadmio con átomos de mercurio cambia instantáneamente todo al espectro infrarrojo, con toda la calidad deseada retenida: fuerte absorción de luz, fuerte emisión de luz y homogeneidad.

Para hacer esto, Smith y Lee tuvieron que abandonar el método tradicional de síntesis para nanocristales, que es mezclar los elementos precursores juntos y, bajo las condiciones adecuadas, se descomponen en la forma de nanocristal deseada. Resulta que no hay ninguna condición que nadie haya encontrado que funcione para el mercurio, el cadmio y el seleniuro.

“Lee desarrolló un nuevo proceso llamado intercambio catiónico mejorado por interdifusión”, dice Smith. “En este proceso, agregamos un cuarto elemento, la plata, que introduce defectos en el material que hace que todo se mezcle de manera homogénea. Y eso resolvió todo el problema”.

Si bien los puntos cuánticos tienen muchas aplicaciones, una aplicación para puntos cuánticos infrarrojos con potencial para tener el mayor impacto es para usar como sondas moleculares para imágenes, donde se pueden colocar en sistemas biológicos y detectarse en tejidos. Dado que la mayoría de los puntos cuánticos emiten en el espectro visible, solo se puede detectar la emisión cerca de la superficie de la piel. Sin embargo, la biología es bastante transparente en el infrarrojo y, por lo tanto, se pueden sondear tejidos más profundos.

Los ratones son los modelos estándar para la mayoría de las enfermedades y Smith explica que con puntos cuánticos que emiten en el infrarrojo, los investigadores podrían ver casi completamente a través de un roedor vivo para ver su fisiología y las ubicaciones de moléculas específicas en todo el cuerpo. Esto permitirá una mejor comprensión de los procesos biológicos y el desarrollo de terapias sin tener que sacrificar los ratones, lo que podría cambiar el desarrollo preclínico de medicamentos.

Andrew Smith también es afiliado al laboratorio Holonyak Micro & Nano Technology, el Instituto Carl R. Woese para Biología Genómica, el departamento de ciencia e ingeniería de materiales, el Centro de Cáncer de Illinois y la Facultad de Medicina Carle Illinois en Illinois.

Wonseok Lee también es afiliado al laboratorio Holonyak Micro & Nano Technology en Illinois.

Esta investigación fue financiada por los Institutos Nacionales de Salud y la Fundación Nacional de Ciencias.