El Nobel de Química 2023 destaca la dimensión cuántica de la nanotecnología

El Nobel de Química 2023, otorgado a los puntos cuánticos, destaca la estrecha relación de la química con los procesos cuánticos y pone en evidencia el impacto que ha tenido para la optoelectrónica, la biomedicina, la fotovoltaica y la computación cuántica.

La escalada cuántica en los Premios Nobel traspasa la frontera de la Física y se adentra también en el universo de la Química: este año distingue los así llamados puntos cuánticos (quantum dots).

El Premio Nobel de Física se vuelve cada vez más cuántico

Los puntos cuánticos son estructuras nanométricas que tienen propiedades ópticas y electrónicas muy particulares. Se pueden considerar como átomos artificiales que emiten luz de diferentes colores, según su tamaño. Comparativamente, tienen el mismo tamaño que tiene un balón de fútbol en relación con el tamaño de la Tierra.

El galardón de este año es significativo porque premia materiales o nanopartículas que no forman parte del universo cuántico, sino que poseen características de la mecánica cuántica que han derivado en aplicaciones que nos han cambiado la vida.

Puntos cuánticos

Este galardón no pasa desapercibido después de que ayer el Nobel de Física destacara la importancia de los electrones para la formación de materia y las tecnologías que permiten observarlo a escala de attosegundos, lo que venía a representar una especie de coronación de la mecánica cuántica por parte del palmarés Nobel.

Los premiados con el galardón de Química en 2023 son Moungi G. Bawendi, del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), Cambridge, MA (USA); Louis E. Brus, de la Universidad de Columbia, Nueva York (USA) y Alexei I. Ekimov, de Nanocrystals Technology Inc., Nueva York. A todos se les premia por “por el descubrimiento y la síntesis de puntos cuánticos”.

Hasta en casa

Puede que nos suene algo extraño, pero como siempre pasa con la física cuántica, está mucho más presente en nuestras vidas de lo que habitualmente pensamos.

No solo los átomos de nuestro cuerpo y de todo lo que vemos están rebosantes de partículas (u ondas) cuánticas, sino que los puntos cuánticos, como nos recuerda el Comité que ha otorgado el premio, iluminan los monitores de nuestros ordenadores y las pantallas de televisión basadas en tecnología QLED. Es decir, que los tenemos en casa.

Los puntos cuánticos también añaden matices a la luz de algunas lámparas LED, y los bioquímicos y médicos los utilizan a su vez para mapear el tejido biológico.

En el aspecto económico, es un sector en auge: el mercado mundial de puntos cuánticos alcanzó un tamaño de 6.5 millones de dólares en 2022 y, según un informe publicado por Research And Markets, se prevé que este mercado alcance los 25.4 millones de dólares en 2028.

Sesgo nanotecnológico

Eso significa que en esta ocasión el Nobel de Química ha dado en la diana de lo que realmente está marcando la evolución tecnológica, un marco en el que los puntos cuánticos se utilizan para diversas aplicaciones estratégicas como la optoelectrónica, la biomedicina, la fotovoltaica y la computación cuántica. Vectores todos ellos de profundos cambios que no se pueden desarrollar sin los puntos cuánticos.

Fenómenos cuánticos

Todo el atractivo tecnológico de los puntos cuánticos procede de lo que ocurre cuando la materia adquiere dimensiones nano, es decir, cuando alcanza un tamaño de entre 1 a 100 nanómetros (un nanómetro equivale a una mil millonésima parte de un metro).

Es entonces cuando surgen fenómenos cuánticos que permiten obtener y manipular puntos cuánticos: cada punto tiene un tamaño de entre 2 a 10 nm y puede irradiar una amplia gama de colores según sus dimensiones.

Hitos tecnológicos premiados

El Comité Nobel explica que Alexei Ekimov logró crear efectos cuánticos en un vidrio coloreado y demostró que el tamaño de las puntos cuánticos resultantes afectaba al color del vidrio mediante efectos cuánticos.

También que Louis Brus fue el primer científico del mundo en demostrar efectos cuánticos dependientes del tamaño en puntos cuánticos que flotan libremente en un fluido.

Y, por último, señala también que Moungi Bawendi revolucionó la producción química de puntos cuánticos, dando como resultado partículas casi perfectas. Esta alta calidad era necesaria para que pudieran utilizarse en diferentes aplicaciones.

Sesgo químico cuántico

El sesgo cuántico del Nobel de Química de este año queda patente con el reconocimiento a los protagonistas de unos episodios que han hecho posible la nanotecnología y la ciencia de materiales tal como la conocemos en la actualidad.

Este sesgo tiene su lógica, ya que la química y la mecánica cuántica están estrechamente relacionadas. La mecánica cuántica es la teoría física que describe el comportamiento de las partículas subatómicas, como los electrones, los protones y los neutrones.

La química, por su parte, estudia la composición, estructura y reactividad de la materia, que está formada por átomos y moléculas. Por lo tanto, la química se basa en la mecánica cuántica para explicar las propiedades y los cambios de la materia a nivel molecular. El Nobel de Química de 2023 deja constancia de esta estrecha relación.

Historial sesgado

La relación intrínseca entre la química y la mecánica cuántica queda reflejada, no solo en el premio de este año, sino también en el Palmarés Nobel que se ha ido confeccionando a lo largo de los años.

Desde 1998 hasta hoy, al menos cinco Nobel de Química reflejan la estrecha relación que esta disciplina mantiene con la mecánica cuántica.

El Premio Nobel de Química 2022 fue otorgado a Carolyn R. Bertozzi, Morten Meldal y K. Barry Sharpless "por el desarrollo de la química click y la química bioortogonal", dos técnicas que se basan en el conocimiento de las interacciones moleculares a nivel cuántico.

El Premio Nobel de Química 2019 fue otorgado a John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham y Akira Yoshino "por el desarrollo de las baterías de iones de litio", cuyo funcionamiento depende de las propiedades electrónicas y magnéticas de los materiales empleados, que se explican por la mecánica cuántica.

Más ejemplos

El Premio Nobel de Química 2016 fue otorgado a Jean-Pierre Sauvage, Sir J. Fraser Stoddart y Bernard L. Feringa "por el diseño y síntesis de máquinas moleculares", que requieren un profundo conocimiento de las fuerzas intermoleculares y de los efectos cuánticos.

No menos significativo fue el Premio Nobel de Química 2013, otorgado a Martin Karplus, Michael Levitt y Arieh Warshel "por el desarrollo de modelos multisimulación para sistemas químicos complejos", unos modelos que son el resultado de la combinación de los principios de la mecánica clásica y la mecánica cuántica.

Por último, el Premio Nobel de Química 1998, otorgado a Walter Kohn y John A. Pople "por su desarrollo de la teoría del funcional de densidad y por su uso en el cálculo químico", pone de manifiesto también este sesgo cuántico porque la teoría premiada permite resolver las ecuaciones de la mecánica cuántica para sistemas de muchos electrones, como los átomos y las moléculas.

Saliendo del armario

El Nobel de Química 2023 es posiblemente el más explícito de esta relación entre la química y los estados cuánticos y pone de manifiesto algo que hasta ahora, si no era clandestino, sí al menos pasaba bastante desapercibido: que la química no es comprensible ni aplicable en muchos campos sin el conocimiento de los procesos cuánticos.

Por algo tanto Feynman como Pauli o Dirac pensaban que la química cuántica es la base de la química. El Nobel de Química 2023 lo reconoce a los ojos del mundo y saca por fin del armario a esta pareja de enamorados.