Los nanocristales almacenan la energía de la luz e impulsan las reacciones químicas
Baja toxicidad, alta eficiencia: Puntos cuánticos de ZnSe/ZnS como fotocatalizadores
La química aprovecha cada vez más el truco de las plantas con la fotosíntesis: impulsar con energía lumínica reacciones químicas que funcionan mal o no se producen de forma espontánea. Para ello se necesitan fotocatalizadores adecuados que capten la energía luminosa y la pongan a disposición de la reacción. En la revista Angewandte Chemie, un equipo de investigadores chinos ha presentado unos puntos cuánticos en capas que impulsan eficazmente las transformaciones orgánicas más difíciles. Su baja toxicidad es una ventaja especial.
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Los puntos cuánticos son cristales nanoscópicos finamente dispersos de semiconductores inorgánicos. Absorben fuertemente en un rango ajustable del espectro y son fáciles de reciclar. Hasta ahora, los puntos cuánticos fotocatalíticos se han basado casi exclusivamente en los elementos altamente tóxicos cadmio y plomo. Esto y su limitada eficiencia han sido las principales barreras para su uso más amplio.
Un equipo de investigación dirigido por Kaifeng Wu (Academia China de Ciencias) ha presentado ahora unos nuevos puntos cuánticos de muy baja toxicidad y muy alto rendimiento. Se activan con LEDs azules disponibles en el mercado: no se necesita la luz ultravioleta que suele ser necesaria. El secreto de su éxito radica en su estructura núcleo/caparazón y en los revestimientos variables que pueden utilizarse para "almacenar" la energía luminosa.
Los puntos cuánticos sólo tienen unos pocos nanómetros de ancho. Su núcleo está formado por seleniuro de zinc (ZnSe) y está rodeado por una fina capa de sulfuro de zinc (ZnS). La luz azul eleva el seleniuro de zinc a un estado de excitación en el que puede ceder fácilmente electrones. La cáscara impide que los electrones sean capturados inmediatamente por los llamados defectos.
El equipo equipó la superficie de la cáscara con ligandos especiales de benzofenona que "absorben" los electrones de los puntos cuánticos, los almacenan y los ponen a disposición de las reacciones orgánicas. Por ejemplo, el equipo pudo llevar a cabo deshalogenaciones reductoras de cloruros de arilo y polimerizaciones sin aditivos de acrilatos -reacciones importantes que se ejecutan mal o nada por los fotocatalizadores convencionales.
Una segunda versión se hizo recubriendo la superficie con ligandos de bifenilo que pueden absorber directamente la energía de los puntos cuánticos excitados. Esto los lleva a un estado triplete de larga duración y muy energético. La energía del triplete "almacenada" de este modo puede transferirse a moléculas orgánicas específicas, que entonces también entran en un estado de triplete. En este estado, pueden sufrir reacciones químicas que no son posibles en su estado básico. Como demostración, el equipo llevó a cabo homo-cicloadiciones [2+2] de estireno y cicloadiciones de carbonilos con alquenos. Así se obtienen anillos de cuatro miembros (ciclobutanos u oxetanos, respectivamente), que son sustancias que constituyen importantes materiales de partida en ámbitos como el desarrollo farmacéutico.
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