Una nueva investigación de la Universidad Hebrea ha logrado un avance significativo en el cambio de color para nanocristales, desbloqueando posibilidades emocionantes para un diseño de pantalla simple y energéticamente eficiente y para fuentes de luz sintonizables necesarias en numerosas tecnologías.
El descubrimiento también tiene aplicaciones potenciales en sensores para diversas sustancias, incluidos los usos biológicos y de neurociencia, así como avances en tecnologías de comunicación cuántica. Este avance de nanomateriales promete inspirar innovaciones emocionantes en el futuro.
Si bien los nanocristales ofrecen capacidad de ajuste del color y se utilizan en diversas tecnologías, lograr diferentes colores requiere el uso de diferentes nanocristales para cada color, y el cambio dinámico entre colores no ha sido posible.
Un equipo de investigadores del Instituto de Química y el Centro de Nanociencia y Nanotecnología de la Universidad Hebrea de Jerusalem, incluido el estudiante graduado Yonatan Ossia con otros siete miembros, y dirigido por el profesor Uri Banin, han encontrado una solución innovadora a este problema. Al desarrollar un sistema de una “molécula artificial” hecha de dos nanocristales semiconductores acoplados que emiten luz en dos colores diferentes, se demostró un cambio de color rápido e instantáneo.
La luz de color y su capacidad de ajuste son la base de muchas tecnologías modernas esenciales: desde iluminación, pantallas, redes rápidas de comunicación de fibra óptica y más.
Al llevar los semiconductores emisores de color a la nanoescala (nano: una mil millonésima parte de un metro, cien mil veces más pequeño que un cabello humano), entra en juego un efecto llamado confinamiento cuántico: cambiar el tamaño del nanocristal modifica el color de la luz emitida. Por lo tanto, se pueden obtener fuentes de luz brillante que cubren todo el espectro visible. Debido a la capacidad única de ajuste de color de tales nanocristales, y su fácil fabricación y manipulación utilizando química húmeda, ya se utilizan ampliamente en pantallas comerciales de alta calidad, lo que les da una excelente calidad de color junto con importantes características de ahorro de energía. Sin embargo, hasta el día de hoy, lograr diferentes colores (como los necesarios para los diferentes píxeles RGB) requería el uso de diferentes nanocristales para cada color específico, y el cambio dinámico entre los diferentes colores no era posible.
Aunque el ajuste del color de nanocristales coloidales individuales que se comportan como “átomos artificiales” se ha investigado e implementado previamente en prototipos de dispositivos optoelectrónicos, cambiar los colores activamente ha sido un desafío debido a la disminución del brillo que acompaña inherentemente al efecto, que solo produjo un ligero cambio del color.
El equipo de investigación superó esta limitación, creando una nueva molécula con dos centros de emisión, donde un campo eléctrico puede sintonizar la emisión relativa de cada centro, cambiando el color, pero sin perder brillo.
La molécula artificial se puede hacer de tal manera que uno de sus nanocristales constituyentes esté sintonizado para emitir luz “verde”, mientras que el otro luz “roja”. La emisión de esta nueva molécula artificial emisora de doble color es sensible al voltaje externo que induce un campo eléctrico: una polaridad del campo induce la emisión de luz desde el centro “rojo”, y cambiando el campo a la otra polaridad, la emisión de color se cambia instantáneamente a “verde”, y viceversa.
Este fenómeno de cambio de color es reversible e inmediato, ya que no incluye ningún movimiento estructural de la molécula, y permite obtener cada uno de los dos colores, o cualquier combinación de ellos, simplemente aplicando el voltaje apropiado en el dispositivo.
Esta capacidad de controlar con precisión el ajuste del color en dispositivos optoelectrónicos mientras se preserva la intensidad, abre nuevas posibilidades en diversos campos, incluidas pantallas, iluminación y dispositivos optoelectrónicos a nanoescala con colores ajustables, y también como una herramienta para la detección de campos sensibles para aplicaciones biológicas y neurociencia para seguir la actividad del cerebro.
Además, permite ajustar activamente los colores de emisión en fuentes de fotones individuales que son importantes para las futuras tecnologías de comunicación cuántica.
El profesor Uri Banin, de la Universidad Hebrea de Jerusalem, explicó: “Nuestra investigación es un gran salto adelante en nanomateriales para optoelectrónica. Este es un paso importante en nuestra exposición de la idea de “química de nanocristales” lanzada hace solo unos años en nuestro grupo de investigación, donde los nanocristales son bloques de construcción de moléculas artificiales con nuevas funcionalidades emocionantes. Ser capaz de cambiar de color tan rápida y eficientemente en la nanoescala como hemos logrado tiene enormes posibilidades. Podría revolucionar las pantallas avanzadas y crear fuentes de fotones únicos conmutables por color”.
Al utilizar tales moléculas de puntos cuánticos con dos centros de emisión, se pueden generar varios colores específicos de luz utilizando la misma nanoestructura.
Este avance abre las puertas al desarrollo de tecnologías sensibles para detectar y medir campos eléctricos. También permite nuevos diseños de pantalla donde cada píxel se puede controlar individualmente para producir diferentes colores, simplificando el diseño de pantalla RGB estándar a una base más pequeña de píxeles, lo que tiene el potencial de aumentar la resolución y el ahorro de energía de futuras pantallas comerciales.
Este avance en el cambio de color inducido por el campo eléctrico tiene un inmenso potencial para transformar la personalización del dispositivo y la detección de campo, allanando el camino para emocionantes innovaciones futuras.
Equipo de investigación dirigido por el Prof. Uri Banim: Yonatan Ossia, Adar Levy, Yossef E. Panfil, Somnath Koley, Einav Scharf, Nadav Chefetz y Sergei Remennik; Atzmon Vakahi, Instituto de Química y el Centro de Nanociencia y Nanotecnología, Universidad Hebrea de Jerusalem.
Para obtener más información sobre el estudio, consulte el artículo: Yonatan Ossia, Adar Levi, Yossef E. Panfil, Somnath Koley, Einav Scharf, Nadav Chefetz, Sergei Remennik, Atzmon Vakahi y Uri Banin, “Electric field induced color switching in colloidal quantum dot molecules at room temperature” Nature Materials https://www.nature.com/articles/s41563-023-01606-0
Agradecimientos: La investigación que condujo a estos resultados ha recibido apoyo financiero del Consejo Europeo de Investigación (CEI) en el marco del programa de investigación e innovación Horizonte 2020 de la Unión Europea (proyecto CoupledNC, acuerdo de subvención N° [741767], y proyecto CQDplay, acuerdo de subvención N° [101069322]).
