¿Qué es el punto cuántico de grafeno?
El grafeno tiene un amplio espectro de aplicaciones, pero debido a su banda prohibida cero, su baja dispersión en agua y su baja absorción espectral, no se puede aplicar en muchos campos, como la optoelectrónica, la imagen biológica y los semiconductores. Por lo tanto, la preparación de puntos cuánticos de grafeno (GQD) es un método eficaz para ajustar la banda prohibida del grafeno y aplicarlo a nanodispositivos.

Cuando el tamaño lateral de las láminas de grafeno disminuye a la nanoescala, se convierten en GQD, materiales de dimensión cero (0D) compuestos por láminas de grafeno con un máximo de cinco capas. La mayoría de los GQD tienen forma circular o elíptica, aunque también se presentan puntos en triángulos y hexágonos.

Puntos cuánticos de grafeno (GQDs) vs grafeno mi
La apertura de las bandas de energía en los GQD, dependiente del tamaño y debida al efecto de confinamiento cuántico, es una de las diferencias significativas en la clara frontera entre los GQD y el grafeno. El ancho de banda aumenta con la disminución del tamaño del punto cuántico. La mayoría de los GQD presentan brechas de banda entre 2,2 y 3,1 eV y presentan fluorescencia verde o azul.

Las investigaciones han demostrado que, en comparación con el grafeno, los GQD presentan una superficie específica muy grande y un tamaño extremadamente pequeño, y sus bordes pueden alojar más sitios activos (como grupos funcionales, dopantes, etc.), lo que facilita su dispersión en agua. Además, presentan otras características significativas, como baja toxicidad, buena biocompatibilidad, estabilidad química, fotoluminiscencia estable y un amplio rango espectral de emisión de fluorescencia. Gracias a estas propiedades únicas, los GQD se consideran un material multifuncional avanzado con una amplia gama de aplicaciones, como el tratamiento del cáncer, células solares, biosensores, LED y fotodetectores.

La síntesis de GQD se puede dividir en dos categorías: técnicas de preparación con enfoque de arriba hacia abajo y enfoque de abajo hacia arriba.

Método de síntesis de arriba hacia abajo de puntos cuánticos de grafeno
Se utilizan materiales de carbono grafitizado en forma de bloque (como nanotubos de carbono de masa molecular (MWCNT), grafeno, grafito, óxido de grafeno, carbón, etc.) como precursores. El precursor de carbono se separa durante el proceso de reacción y se corta en los GQD deseados mediante procesos químicos, térmicos o físicos. El proceso de síntesis descendente utiliza técnicas como el corte por oxidación-reducción, la ablación por láser pulsado (PLA) y el corte electroquímico.

La síntesis de puntos cuánticos de grafeno mediante técnicas de corte reductor/oxidante implica principalmente el uso de agentes reductores u oxidantes fuertes, como tijeras, para cortar grafeno oxidado o láminas de grafeno. Sin embargo, este proceso suele requerir el uso de productos químicos tóxicos y extensas etapas de purificación. Sin embargo, existen excepciones donde se pueden utilizar oxidantes ambientalmente seguros, como el H₂O₂, con un rendimiento que puede superar el 77 % sin purificación.

Los resultados indican que la aplicación de un potencial eléctrico durante el corte electroquímico puede provocar la entrada de iones cargados en la capa de grafito del precursor. Por ejemplo, los investigadores informaron sobre la síntesis de GQD con un tamaño promedio de 2 a 3 nanómetros mediante un sencillo dispositivo de exfoliación electroquímica, compuesto por dos varillas de grafito como electrodos y ácido cítrico e hidróxido de sodio en agua como electrolitos. Este método también presenta una excelente funcionalización y capacidad de dopaje para los GQD.

Otro interesante método de síntesis descendente es el método PLA, que utiliza un haz láser enfocado para sintetizar GQD a partir de láminas de grafito como materia prima. Esta tecnología no requiere productos químicos ácidos fuertes, lo que proporciona un enfoque viable y ecológico para la investigación de GQD. Este método permite sintetizar GQD de tamaño uniforme.

Método de síntesis de abajo hacia arriba de puntos cuánticos de grafeno
El enfoque ascendente, a diferencia del descendente, implica la fusión de moléculas precursoras más pequeñas (como ácido cítrico, glucosa, etc.) para obtener GQD. En comparación con las estrategias descendentes, los métodos ascendentes ofrecen la ventaja de tener menos defectos y un tamaño y una morfología ajustables. La vía de síntesis ascendente más conocida es el calentamiento por microondas y baño maría, que permite la síntesis orgánica gradual y la preparación de moldes blandos.

Un caso típico es la síntesis de ácido cítrico y aminoácidos en GQD mediante un método hidrotérmico. En esta tecnología, el ácido cítrico se prepara cargando el precursor en un autoclave y sometiéndolo a una reacción hidrotérmica a un tiempo y temperatura específicos. Esta técnica simplifica la introducción de heteroátomos como azufre y nitrógeno en las estructuras de GQD. Por ejemplo, existen informes que indican que el tamaño de los GQD dopados con nitrógeno (N-GQD) utilizando ácido cítrico y etilendiamina es de 5 a 10 nanómetros.

El proceso hidrotermal suele tardar varias horas, lo que lo hace inadecuado para la síntesis de GQD a escala industrial. El calentamiento asistido por microondas es una solución relativamente completa. Mediante este método, el tiempo necesario para el crecimiento de los GQD puede reducirse a unos pocos minutos o incluso segundos.

Actualmente, el rendimiento de los métodos de síntesis de GQD, tanto descendentes como ascendentes, se sitúa generalmente por debajo del 30 %. Además, estos métodos requieren operaciones de purificación costosas y prolongadas, lo que incrementa considerablemente el coste final de los GQD. Por lo tanto, las futuras líneas de investigación deben centrarse en mejorar el rendimiento y simplificar los procesos de purificación, para que la aplicación industrial de los GQD pueda generar mayores beneficios económicos.

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