Cosa sono i punti quantici, le minuscole particelle del Nobel che incontriamo tutti i giorni

Il Nobel per la Chimica 2023, assegnato oggi a Moungi Bawendi, Louis Brus e Alexei Ekimo, premia la scoperta e lo sviluppo dei punti quantici, minuscole particelle che hanno rivoluzionato il mondo delle nanotecnologie. Oggi li troviamo in diversi ambiti, non solo scientifici, e sono una parte importante anche dei prodotti commerciali. Vengono infatti utilizzati negli schermi di computer, televisori e altri dispositivi basati sulla tecnologia QLed, dove “Q” sta proprio per punto quantico, ma anche in alcune luci a Led, dove regolano la temperatura del colore. Altre applicazioni le ritroviamo in chimica e in medicina, in particolare nella chirurgia, dove i punti quantici sono utilizzati per mappare cellule e organi. Ma cosa esattamente i punti quantici e come si è arrivati alla loro scoperta?

Cosa sono i punti quantici premiati con il Nobel

I punti quantici (dall’inglese quantum dots) sono minuscole particelle formate da nanocristalli semiconduttori e caratterizzate da proprietà uniche, dovute proprio alle loro nanodimensioni. Questo perché, quando la materia si riduce a dimensioni miliardesime, sorgono i fenomeni quantistici, come l’effetto fotoelettrico, spiegato da Einstein nel 1905, che consiste nell’emissione di elettroni da parte di un materiale quando viene illuminato da una radiazione elettromagnetica.

La peculiarità dei punti quantici è quella di generare un pozzo di potenziale tridimensionale che confina i portatori di carica, elettroni e lacune, in una piccola regione di spazio in cui i livelli energetici divengono discreti. Quest’ultima proprietà li rende simili ad atomi, per cui vengono chiamati anche “atomi artificiali”.

Ma come si ottengono i punti quantici? All’inizio degli Anni 80, grazie a un tipo di raggio molecolare, al vuoto ultraelevato e temperature prossime allo zero assoluto, Louis Brus e Alexei Ekimov riuscirono a creare, indipendentemente l’uno dall’altro i primi punti quantici, ottenendo nanoparticelle così piccole che gli effetti quantistici ne determinavano le caratteristiche. Nel 1993, Moungi Bawendi ha rivoluzionato i metodi di produzione dei punti quantici, ricorrendo a solventi, temperature e tecniche di controllo nella formazione dei cristalli, fino a rendere la loro qualità estremamente elevata: un prerequisito vitale per il loro utilizzo nella nanotecnologia odierna.

I punti quantici e i fenomeni quantistici

Quando le particelle diventano estremamente piccole, c’è meno spazio per gli elettroni, che vengono schiacciati insieme. Questo comporta cambiamenti drastici nelle proprietà del materiale, che non possono essere spiegati dalla meccanica classica. Per essere descritti, questi comportamenti richiedono l’uso della meccanica quantistica, la teoria che descrive il comportamento della materia e della radiazione a livello microscopico.

Gli effetti quantistici si verificano quando le particelle si restringono: quando le particelle hanno un diametro di pochi nanometri, lo spazio a disposizione degli elettori si riduce. Ciò influisce sulle proprietà ottiche della particella. Credit: Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences

In altre parole, gli elettroni schiacciati (che sono sia onde che particelle) governano diverse proprietà di una sostanza, come le proprietà ottiche, la capacità di catalizzare reazioni chimiche e condurre elettricità, facendo assumere a quel materiale caratteristiche completamente nuove. Per comprendere la portata di questo fenomeno, possiamo immaginare che la tavola periodica assuma improvvisamente una terza dimensione, in cui le proprietà di un elemento non sono influenzate solo dal numero di gusci elettronici e da quanti elettroni ci sono nel guscio esterno ma, a livello nanometrico, anche dalle dimensioni.

Dove si trovano i punti quantici nella vita di tutti i giorni

Scoperta e sviluppo dei punti quantici hanno rivoluzionato il mondo delle nanotecnologie: oggi i punti quantici sono utilizzati come sorgenti di luce per gli schermi di computer, tv e lampade a Led, per catalizzare le reazioni chimiche e per illuminare organi e tessuti. Principalmente, vengono impiegati per creare luce colorata in quanto, se illuminati con luce blu, assorbono questa luce, emettendola con un colore diverso.

I punti quantici assorbono la luce e la emettono ad un'altra lunghezza d'onda: il colore della luce in uscita dipende dalla dimensione della particella / Credit: Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences

Modificando la dimensione dei punti quantici è infatti possibile determinare esattamente di quale colore dovrebbero brillare.

Esempi di questo loro impiego sono quindi i monitor, gli schermi e i televisori basati sulla tecnologia QLed, nei quali la luce blu viene generata utilizzando diodi ad alta efficienza energetica (premiati con il Nobel per la Fisica 2014). In questa applicazione, i punti quantici permettono di cambiare il colore di parte della luce blu, trasformandola in rossa o verde, il che rende possibile produrre i tre colori primari necessari in uno schermo televisivo.

Allo stesso modo, in alcune lampade a Led, i punti quantici sono utilizzati per regolare la temperatura della luce dei diodi. Grazie a queste minuscole particelle, la luce può quindi essere chiara, come quella del giorno, oppure calda, come quella di una vecchia lampadina a incandescenza.

Come premesso, la luce dei punti quantici è particolarmente utile in ambito scientifico: in biochimica, ad esempio, aiutano a mappare cellule e organi. In medicina, il loro massimo potenziale si esprime nel mappare i tessuti tumorali, mentre in chimica le proprietà catalitiche dei punti quantici facilitano le reazioni.