La llave de la nanotecnología: El nanopuzzle cuántico. ¿Cuanti...qué?

La nanociencia funciona en una escala 1000 veces más pequeña que cualquier cosa que se pueda ver con un microscopio óptico. En la escala nanométricase pueden obtener materiales con propiedades diferentes de las que tienen estos mismos materiales en forma macroscópica, como por ejemplo la resistencia, el color, la conductividad, la reactividad…

¿Pero cuáles son las características más importantes que marcan este cambio?

Una de ellas es la alta superficie especifica, de la que ya hemos hablado en otros post, la segunda la puede responder la cuántica o en concreto la mecánica cuántica, una respuesta que no es sencilla pero que intentaré explicar a continuación

Efectos cuánticos: Confinamiento cuántico

Las partículas nanométricas no son nuevas ni en la naturaleza ni en la ciencia. Sin embargo, ahora tenemos la capacidad de entender mejor su curioso comportamiento con respecto a partículas más grandes. Cuando estamos en la nanoescala, las propiedades tales como punto de fusión, fluorescencia, conductividad eléctrica, permeabilidad magnética y reactividad química cambian en función del tamaño de la partícula. En esencia, estos fenómenos se basan en “efectos cuánticos”.

Para explicar alguno de los procesos que ocurren en la nanoescala, tenemos que cambiar el pensamiento “clásico” (física clásica, por ejemplo) y utilizar el pensamiento cuántico (mecánica y física cuántica).

Efectos cuánticos

En la nanoescala se dan los llamados efectos cuánticos. En este rango, las propiedades de los materiales dependen directamente del tamaño. Así, cuando trabajamos en la nanoescala, algunas propiedades, como, por ejemplo, el punto de fusión, la fluorescencia, la conductividad eléctrica, la permeabilidad magnética o la reactividad química cambian en función del tamaño de la partícula.

Cuando estamos en escalas tan pequeñas como la nanoescala, una escala minúscula donde en algún caso contamos con pocas decenas o centenares de átomos, acercándose a la escala atómica, los niveles de energía atómicos cada vez están mejor definidos según las leyes de la teoría cuántica, asemejándose a los átomos individuales.

El mundo cuántico refleja el reino atómico de las partículas. En este mundo tan y tan pequeño tenemos el fenómeno del efecto de confinamiento cuántico que se observa cuando el tamaño de la partícula es demasiado pequeño para ser comparable a la longitud de onda del electrón. Lo que ocurre es que se confina el movimiento del electrón el cual se mueve aleatoriamente. Restringimos su movimiento en niveles de energía específicos (discretos).

Confinamiento cuántico

Cuando el tamaño de una partícula disminuye hasta llegar a una escala nano, también disminuye la dimensión de confinamiento, haciendo que los niveles de energía se discreticen, es decir estén cuantizados (sean unos en particular) y esto aumenta o amplía la distancia entre las bandas energéticas del átomo, siendo el resultado de la influencia directa de la escala de longitud ultra-pequeña en la estructura de banda de energía.

El confinamiento cuántico implica el cambio de las propiedades electrónicas y ópticas cuando el material es de tamaño muy pequeño – típicamente 10 nanómetros o menos. La diferencia de energía o gap de banda, aumenta a medida que disminuye el tamaño de la nanoestructura. En este tamaño la extensión espacial de la función de onda electrónica es comparable con el tamaño de la partícula. Como resultado de estas limitaciones “geométricas”, los electrones “sienten” la presencia de los límites de las partículas y responden a los cambios en el tamaño de partícula ajustando su energía. Los efectos de cuantificación se vuelven más importantes cuando la dimensión de la partícula es aproximada al radio del excitón de Bohr y hace que las propiedades de los materiales dependan del tamaño.

Cuando un haz de luz incide sobre un nanocristal semiconductor, con una longitud de onda adecuada, puede excitar algunos electrones de la banda de valencia hacia niveles superiores de la banda de conducción, atravesando el ancho de banda y su barrera de energía asociada (gap) y dejando un estado vacío. Los electrones excitados dejan agujeros, en los lugares que ocupaban en la banda de valencia, con cargas positivas.

Este efecto crea una pseudopartíıcula formada por el par electrón-hueco denominada excitón que, a efectos prácticos, puede ser considerado como partículas de carga positiva. El hecho de que el electrón y el hueco pertenezcan a distintas bandas de energía hace que el potencial de confinamiento para el electrón sea distinto al potencial del hueco.

Debido al minúsculo tamaño del nanocristal, una vez originados los excitones, quedan confinados en un minúsculo espacio dentro de su estructura, quedándose sus movimientos restringidos. Este espacio es del orden del radio de Bohr del excitón del material, el cual es la distancia entre el electrón y el agujero de un excitón y varía entre 1 y 50 nm.

El confinamiento cuántico tiene en cuenta el aspecto de la estructura electrónica de las nanopartículas que depende críticamente del tamaño de las mismas. Un electrón se comporta como si fuera libre cuando la dimensión de confinamiento (por el límite de la partícula) es grande comparada con la longitud de onda de Broglie del electrón, y su espectro de energía es (cuasi) continuo. Sin embargo, a medida que la dimensión de confinamiento disminuye y alcanza un cierto límite, típicamente en la nanoescala, el espectro de energía se convierte en discreto.

En metales y semiconductores las funciones electrónicas de onda de los electrones de conducción se deslocalizan sobre toda la partícula. Estos electrones pueden, por lo tanto, ser descritos cualitativamente como partículas en una ‘caja’. Así, las densidades de los estados y las energías de las partículas dependen crucialmente del tamaño de la “caja”, lo que lleva en cierta medida a una dependencia de tamaño suave.

Un resultado fascinante y poderoso de los efectos cuánticos de la nanoescala y el hecho de poder controlar el tamaño y poder trabajar en la nanoescala nos permite obtener propiedades a la carta, Es decir, al cambiar el tamaño de la partícula, podemos “afinar” una propiedad de interés. Otro potente efecto cuántico de la nanoescala se conoce como “tunelización”, que es un fenómeno que permite trabajar con el microscopio de efecto túnel o en computación.

El post inacabado

En cerca de 1000 palabras he intentado explicar la importancia y el significado de la mecánica cuántica en la nanoteccnología, pero este post esta todavía por concluir porqué espero vuestros comentarios para que me ayudéis a mejorar y completarlo y así, podamos concluir el nanopuzzle cuántico