“Punti quantici”: la loro scoperta è valso il Premio Nobel per la Chimica 2023

In riconoscimento del loro ammirevole contributo, gli scienziati Moungi Bawendi, Louis Brus e Alexei Ekimov hanno ricevuto il Premio Nobel per la Chimica 2023. Questo è un fatto che pochissimi osavano immaginare, poiché esistono solo teorie sugli effetti dei punti quantici in base alla loro dimensione.

Ma arrivare in cima è stato un percorso che ha richiesto molta pazienza. Tutto ebbe inizio nel 1937, quando Herbert Fröhlich teorizzò che le nanoparticelle potevano variare il loro comportamento a seconda della loro forma e dimensione. È stata una grande sfida dimostrare la sua teoria, poiché richiedeva strutture più piccole di uno spillo.

Alcuni decenni dopo, nel 1981, Alexei Ekimov concentrò il suo lavoro sull'assorbimento della luce nei nanocristalli. Successivamente, Louis Brus della Columbia University fece esperimenti con particelle liquide, concludendo che la dimensione di queste minuscole particelle influenzava l’assorbimento della luce.

Per completare questo percorso, Moungi Bawendi del Massachusetts Institute of Technology (MIT) ha corso un rischio con metodi per generare nanocristalli di alta qualità. Come conseguenza di questo duro lavoro a catena, oggi possiamo comprendere i punti quantici e la loro applicazione in varie discipline.

Le dimensioni contano. Per il colore emesso dalla luce dei punti quantici

I punti quantici, noti anche come nanocristalli semiconduttori, sono minuscole particelle che hanno proprietà ottiche ed elettroniche uniche grazie alle loro dimensioni e alla struttura cristallina. Sono così piccoli che il loro comportamento è governato dalle leggi della meccanica quantistica.

Quando i punti quantici hanno una dimensione specifica, la loro struttura cristallina racchiude elettroni e lacune in tre dimensioni. Ciò consente di osservare tre spettri di colore:

• piccoli punti quantici, hanno una separazione energetica maggiore, emettono luce con una lunghezza d'onda corta corrispondente ai colori blu e viola dello spettro visibile;
• punti quantici medi, hanno una separazione energetica intermedia ed emettono luce ondulatoria associata a colori come il giallo e il verde;
• I punti quantici di grandi dimensioni hanno una separazione energetica inferiore e sono in grado di emettere luce con lunghezze d'onda maggiori, ovvero è possibile osservare il colore rosso dello spettro visibile.

In questa direzione, i punti quantici sono stati utilizzati nei display per migliorare il colore e l’efficienza energetica. Con questo approccio, i punti quantici sono stati alleati per migliorare la gamma cromatica, potenziare la regolazione della temperatura del colore, mantenere la qualità di un’immagine più a lungo e implementare schermi ad alta risoluzione.

Otto applicazioni dei punti quantici che hanno semplificato la vita umana

I punti quantici hanno applicazioni in vari settori industriali grazie all’eccellenza delle loro proprietà. Alcuni dei più importanti includono:

• sensori, per rilevare sostanze e condizioni come gas tossici, biomolecole e temperature estreme;
• crittografia quantistica, per garantire la trasmissione sicura delle informazioni nei sistemi quantistici;
• archiviazione dei dati, grazie alla sua capacità di raccogliere informazioni a livello nanometrico;
• celle solari, per migliorare la cattura della luce nelle celle solari e aumentare l'efficienza di conversione dell'energia;

• rilevamento biologico, dove possono essere modificati per legarsi selettivamente a determinate strutture biologiche facilitando il rilevamento e il tracciamento delle cellule negli studi biologici e medici;
• imaging medico, per migliorare la visualizzazione di tessuti e organi nelle scansioni MRI e TC.
• illuminazione, per produrre luce bianca di alta qualità accompagnata da una migliore riproduzione dei colori;
• schermi di dispositivi elettronici, quali televisori, monitor di computer e dispositivi mobili per migliorare la qualità del colore e l'efficienza energetica.

Le varie applicazioni dei punti quantici sono qui per restare ed essere esplorate in aree inimmaginabili. La scienza ha generato una tecnologia che, nelle mani giuste, genera benefici in termini di salute, istruzione e cura del nostro pianeta Terra.