Computación
Construyendo técnicas de imagen de próxima generación con puntos cuánticos infrarrojos
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La tecnología de puntos cuánticos (QD) está transformando las industrias de iluminación y pantallas. Un tema popular en nanotecnología y ciencia de materiales, estos nanocristales semiconductores son partículas semiconductoras muy pequeñas, tan pequeñas como unos pocos nanómetros de tamaño.
Sus propiedades electrónicas y ópticas se sitúan entre átomos discretos en masa y semiconductores. Estas propiedades dependen tanto del tamaño como de la forma de estos QD. Por ejemplo, los puntos cuánticos más grandes de 5–6 nm emiten longitudes de onda más largas en comparación con las longitudes de onda más cortas emitidas por QD más pequeños de 2–3 nm. Además, los QD mayores producen colores naranja o rojo, mientras que los menores generan azul y verde. Sin embargo, la especificidad de estos colores depende de la composición de los puntos cuánticos.
Los QD son materiales semiconductores a nanoescala con electrones o huecos de electrones fuertemente confinados, muy similar a un modelo de partícula 3D en una caja. Al acoplar dos o más de estos QD, también se puede crear una molécula artificial. Mientras tanto, ensamblarlos con precisión puede formar superredes que actúan como materiales de estado sólido artificiales cuyas propiedades ópticas y electrónicas únicas pueden ser controladas.
El año pasado, Moungi G. Bawendi, Alexei I. Ekimov y Louis E. Brus recibieron el Premio Nobel de Química por el descubrimiento y desarrollo de los puntos cuánticos. Sin embargo, los QD no son tan jóvenes como la tecnología. Fueron descubiertos por primera vez hace varias décadas, en 1980, y llevan años en uso en pantallas LCD como fósforos remotos.
El potencial de aplicación de los puntos cuánticos no se limita a las pantallas, también se extiende a LED, láseres, células solares, fuentes de fotones individuales, transistores de un solo electrón, microscopía, bioimagen, investigación en biología celular y catálisis de reacciones químicas.
Impulsado por la creciente demanda de soluciones de iluminación energéticamente eficientes y dispositivos de pantalla de alta calidad en diversas industrias, el mercado de QD se proyecta que experimente un impresionante crecimiento con una Tasa de Crecimiento Anual Compuesta (CAGR) del 17,40% en los próximos años. Se proyecta que el tamaño del mercado global de QD alcance los 12,34 mil millones de dólares antes de que termine esta década.
Dado su amplio rango de aplicaciones y el esperado crecimiento del tamaño del mercado, los puntos cuánticos han sido objeto de mucha investigación y experimentación. Sin embargo, esto se ha centrado principalmente en el espectro visible. Esto significa que aún queda mucho por descubrir sobre la tecnología en las regiones ultravioleta e infrarroja.
La tecnología infrarroja tiene muchos casos de uso, por lo que hay una creciente necesidad de materiales optoelectrónicos rentables, fáciles de desarrollar y de usar que sean sintonizables y activos en el infrarrojo. Esto ha llevado al desarrollo de puntos cuánticos infrarrojos. Debido al efecto de confinamiento cuántico, las brechas de banda de los puntos cuánticos infrarrojos pueden sintonizarse cuando sea necesario simplemente mediante restricciones dimensionales.
El progreso en el desarrollo de puntos cuánticos infrarrojos como absorbentes de infrarrojo, como en combustibles solares y fotovoltaicos, y emisores de luz infrarroja, como en imágenes biológicas y diodos emisores de luz, está facilitando la implementación de QD en aplicaciones emergentes.
Desarrollo de nanocristales de alta calidad
Ahora, Andrew Smith, profesor de bioingeniería en la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign, y el investigador postdoctoral Wonseok Lee han desarrollado nuevos productos de nanocristales de alta calidad.
Publicado en Nature Synthesis y financiado por los Institutos Nacionales de Salud y la Fundación Nacional de Ciencia, la investigación fue la primera instancia de QD infrarrojos con los mismos altos estándares que los del espectro de luz visible.
Incluso después de casi medio siglo de existencia de la tecnología de nanocristales, solo hemos visto avances en nanocristales que operan en la porción visible del espectro. Esto tiene sentido, dado que son una “gran parte de los dispositivos de pantalla”.
Como compartió Smith, la mayor parte de cualquier tecnología es la emisión o absorción de luz. Por lo tanto, el enfoque ha estado en desarrollar una tecnología con el mercado más grande hoy en día.
Pero eso no es todo. Además de que los nanocristales del espectro visible tienen una demanda mucho mayor, la química de los materiales utilizados en el infrarrojo también es más difícil. Esto incluye energía más baja y longitudes de onda más largas que la luz del espectro visible.
Ahora, lograr la emisión y absorción de luz en el infrarrojo requiere elementos más pesados cuya química es difícil. Esto significa reacciones menos predecibles y más reacciones secundarias indeseadas.
Esto ni siquiera es el final. Estos elementos más pesados son aún más propensos a la degradación. Incluso son susceptibles a cambios ambientales, como el agua.
Cuando se trata de nanocristales de puntos cuánticos, pueden fabricarse a partir de semiconductores elementales, como el silicio, o pueden fabricarse de dos elementos (binarios) o tres elementos (ternarios). Al mezclar dos elementos juntos, se pueden lograr varias propiedades diferentes, y al combinar tres, se pueden lograr aún más propiedades.
En la institución principal del sistema de la Universidad de Illinois, los investigadores se centraron en un solo tipo de elemento, que creen que puede ser el material ‘perfecto’ para fabricar. El material aquí es seleniuro de mercurio y cadmio. Según Smith:
“Puedes obtener básicamente cualquier propiedad que desees cambiando la proporción de átomos de cadmio y mercurio. Puede abarcar este enorme rango del espectro electromagnético, desde todo el infrarrojo hasta todo el espectro visible, y obtener tantas propiedades.”
Utilizando el QD ya desarrollado
El desarrollo de puntos cuánticos infrarrojos de alta calidad ha llevado años. Durante mucho tiempo, la comunidad investigadora ha intentado lograr esto, con Smith mismo involucrado desde la escuela de posgrado. Pero ninguno de los esfuerzos había sido exitoso hasta ahora.
Finalmente, los investigadores de la Universidad de Illinois pudieron crear un nuevo material. Lo lograron tomando algo que ya había sido perfeccionado. Así que tomaron lo que se considera el punto cuántico más desarrollado y lo utilizaron como lo que Smith llamó un ‘molde sacrificial’.
El seleniuro de cadmio (CdSe) es un compuesto inorgánico clasificado como un semiconductor II-VI (COHR ) de tipo n. Es transparente a la luz infrarroja (IR) y altamente luminiscente, pero ha tenido un uso limitado en fotorresistencias.
Según la investigación, los nanocristales coloidales semiconductores basados en CdSe han sido precisamente optimizados para aplicaciones fotónicas en el espectro visible. Los productos modernos realmente muestran uniformidad estructural con un rendimiento cuántico de casi el cien por ciento.
Ahora, el equipo tomó seleniuro de cadmio y reemplazó los átomos de cadmio (Cd) por los de mercurio (Hg). De inmediato, esto cambió todo al espectro infrarrojo manteniendo todas las cualidades deseadas, incluida una fuerte emisión de luz y una fuerte absorción de luz.
Para lograr esto, los investigadores tuvieron que descartar la forma convencional de sintetizar nanocristales. El método tradicional implica primero mezclar los elementos precursores y, luego, bajo las condiciones adecuadas, se descomponen en la estructura de nanocristal deseada.
Sin embargo, no se han encontrado condiciones que funcionen para seleniuro, mercurio y cadmio. Por lo tanto, el investigador postdoctoral Lee desarrolló un nuevo método llamado intercambio catiónico mejorado por interdifusión.
En este proceso, el equipo añadió plata como cuarto elemento, lo que introduce defectos en el material. Esto, dijo Smith, hizo que “todo se mezclara homogéneamente. Y eso resolvió todo el problema”.
Al final, el equipo desarrolló nanocristales de seleniuro de mercurio (HgSe) y seleniuro de mercurio y cadmio (HgCdSe) que emiten y absorben en el espectro infrarrojo. Desarrollados a partir de precursores de CdSe del espectro visible, que ya están bien desarrollados, los nuevos materiales mantuvieron los atributos deseados, incluida la forma, el tamaño y la uniformidad de los nanocristales de seleniuro de cadmio, mientras que presentaban una absorción mejorada.
Estos nanocristales homogéneos, aleaciones de HgSe y HgxCd1−xSe, también tienen brechas de banda sintonizables en el espectro infrarrojo. Según la investigación, “después de la pasivación con capas heteroepitaxiales de CdZnS, las longitudes de onda de fotoluminiscencia son sintonizables en el infrarrojo de onda corta por composición sin cambiar el tamaño, con un rendimiento cuántico del 80–91 % y anchuras de línea cercanas a 100 meV”.
Aplicaciones potenciales de los puntos cuánticos infrarrojos
El tamaño único de los puntos cuánticos pequeños, combinado con sus propiedades electrónicas sintonizables, hace que los QD sean muy atractivos para nuevas tecnologías y una variedad de aplicaciones.
Debido a su capacidad de emitir un arcoíris de colores brillantes y puros, su alto coeficiente de extinción y altas eficiencias hacen que los puntos cuánticos sean particularmente significativos para aplicaciones ópticas, como luces LED, pantallas y fotovoltaicos. Cuando se utilizan en el desarrollo de pantallas avanzadas, la tecnología mejora la precisión del color y el brillo.
La seguridad y la vigilancia son otro sector donde pueden mejorar las capacidades de visión nocturna y ayudar a identificar personas u objetos en entornos oscuros o con poca visibilidad. En la industria automotriz, esto puede ayudar a mejorar los sistemas de asistencia al conductor y la seguridad al conducir de noche. También pueden detectar contaminantes en el medio ambiente y contaminantes en fuentes de agua.
Debido al pequeño tamaño de los puntos cuánticos, lo que también significa que tienen una densidad de estados más aguda que las estructuras de mayor dimensión, los electrones no tienen que viajar lejos, lo que se traduce en dispositivos electrónicos que pueden operar más rápido. Estas propiedades electrónicas únicas son particularmente útiles para células solares, transistores, computación cuántica y conmutadores y puertas lógicas ópticas ultrarrápidas.
El pequeño tamaño de los QD también los hace adecuados para diversas aplicaciones biomédicas como biosensores e imágenes médicas. A diferencia de los biosensores basados en fluorescencia, los basados en puntos cuánticos pueden emitir un espectro completo de luces más brillantes mientras presentan poca degradación con el tiempo. Esto los hace realmente beneficiosos en aplicaciones biomédicas.
Según la investigación, los nuevos materiales, seleniuro de mercurio (HgSe) y seleniuro de mercurio y cadmio (HgCdSe), pueden conducir a técnicas de imagen de próxima generación.
Los puntos cuánticos infrarrojos pueden revolucionar varias industrias al permitir el desarrollo de técnicas de imagen de próxima generación. Por ejemplo, en la imagen médica, los puntos cuánticos infrarrojos pueden usarse para detectar tumores y células cancerosas temprano, ayudar en la imagen no invasiva de tejidos y órganos con imágenes más claras y detalladas, y ser utilizados durante cirugías para mejorar la precisión y los resultados.
En el sector de la salud, los puntos cuánticos infrarrojos pueden usarse además para el seguimiento de células, visualización y estudio del comportamiento de moléculas dentro de las células. Como señaló la investigación, el uso más significativo de los puntos cuánticos infrarrojos podría ser como sondas moleculares.
La mayoría de los puntos cuánticos emiten en el espectro visible, lo que permite solo la detección superficial. Sin embargo, la luz infrarroja permitirá que se investiguen tejidos más profundos. De esta manera, los puntos cuánticos que emiten en el infrarrojo permiten a los investigadores ver casi completamente a través de, por ejemplo, un roedor vivo, que se usa como modelo estándar para la mayoría de las enfermedades, e identificar la ubicación de moléculas específicas en todo el cuerpo sin sacrificar a los ratones.
Todos estos usos significan una mejor comprensión de los procesos biológicos, el cuerpo humano y los mecanismos de enfermedad, y, a su vez, soluciones y cuidados más personalizados y mejores.
Además de todo esto, la imagen infrarroja con puntos cuánticos también puede usarse para analizar materiales y componentes, garantizar la calidad del producto en la fabricación, mejorar la resolución de telescopios y ayudar en la navegación y operación de naves espaciales.
Empresas destacadas que trabajan con técnicas de imagen y puntos cuánticos infrarrojos
Ahora, echemos un vistazo a las empresas a la vanguardia del avance de técnicas de imagen y que trabajan con puntos cuánticos:
#1. QD Vision
Esta empresa es conocida por su tecnología de puntos cuánticos, particularmente en aplicaciones de pantalla e imagen. Cofundada por Moungi Bawendi hace una década, la empresa ha estado trabajando en la comercialización de QD a través de Color IQ.
Samsung Electronics acquired QD Vision’s IP for $70 million, lo que incluía cientos de patentes. Con este movimiento estratégico, la idea ha sido apoyar la visión a largo plazo de la empresa en sus pantallas, televisores y posiblemente otros negocios. En ese momento, Samsung dijo que la propiedad intelectual de QD Vision se convertiría en parte de los esfuerzos de I+D de la empresa con sede en Corea para desarrollar implementaciones avanzadas de televisores QD. Las pantallas QLED de Samsung prometen un rendimiento de color sin igual y una calidad de imagen excepcional, “abriendo una nueva corriente de posibilidades para el futuro”.
En el primer trimestre de 2024, Samsung reportó un aumento del 933 % en su beneficio operativo en comparación con el 1T23. El gigante tecnológico espera un aumento de 15 veces en el beneficio operativo en el segundo trimestre de 2024, impulsado por los precios de los semiconductores gracias al auge de la IA. A pesar de eso, las acciones de Samsung (SMSN) cotizan a $1,581, solo un 5,54 % más en lo que va del año. La empresa paga un rendimiento de dividendo del 1,69 %.
#2. Nanoco Group
Cotizada en la Bolsa de Londres bajo el ticker NANO, Nanoco se especializa en el desarrollo y fabricación de puntos cuánticos y otros nanomateriales. Cotizando a $0.1949, las acciones están un 12,38 % abajo en lo que va del año, con un EPS (TTM) de 0.06 y un P/E (TTM) de 3.32.
La empresa recientemente recompró 330 133 de sus acciones ordinarias, las cuales serán canceladas para dejar 205 038 038 acciones ordinarias en circulación, una medida tomada para mejorar el valor para los accionistas. Durante la llamada de resultados del 2T24, su CEO Brian Tenner habló sobre que Nanoco recibió y cumplió dos pedidos de producción comercial. Aunque son pedidos de bajo volumen, esto significa que Nanoco está realmente transitando a una empresa de producción real y “espera que la demanda y el volumen… aumenten con el tiempo”. La empresa también firmó dos acuerdos de desarrollo conjunto con clientes globales que involucran dos nanomateriales de segunda generación diferentes para su uso en detección infrarroja.
La tecnología central de Nanoco involucra puntos cuánticos CFQD®, que consisten en nanopartículas semiconductoras fluorescentes y puntos cuánticos HEATWAVETM queestán diseñados especialmentepara su uso en la industria de sensores. Mientras que los primeros tienen aplicaciones en conversión de color OLED, conversión de color μLEDs y etiquetado de seguridad óptica, la tecnología posterior es para reconocimiento facial biométrico, diagnósticos ópticos, visión nocturna, detección de distancia y aplicaciones LiDAR.
Reflexiones finales
Como vimos, la tecnología de puntos cuánticos promete avances significativos en diversas industrias. Los investigadores están explorando actualmente más los QD, como los puntos cuánticos infrarrojos, que tienen aplicaciones únicas, especialmente en la imagen biológica. A medida que la demanda de QD continúa creciendo y su tamaño de mercado aumenta, veremos aún más avances en el campo de los puntos cuánticos, que tienen la capacidad de revolucionar la medicina, la energía, los sensores y la electrónica de consumo.
