Nobelprisen hædrer opfindere af 'Quantum Dot' nanopartikler | Quanta Magasinet

Forestil dig en nanokrystal så lille, at den opfører sig som et atom. Moungi G. Bawendi, Louis E. Brus , Alexei I. Ekimov er blevet tildelt Nobelprisen i kemi i 2023 for at opdage en kategori af sådanne små vidundere, nu kendt som kvanteprikker, og for at udvikle en præcis metode til at syntetisere dem. Kvanteprikker spiller allerede vigtige roller inden for elektronik og i biomedicin, såsom medicinlevering, billeddannelse og medicinske diagnoser, og har mere lovende anvendelser i fremtiden, sagde Nobelkomiteen for Kemi i sin meddelelse om prisen.

Kvanteprikker, nogle gange kaldet kunstige atomer, er præcise nanokrystaller lavet af silicium og andre halvledermaterialer, der er blot et par nanometer brede - små nok til at udvise kvanteegenskaber ligesom individuelle atomer gør, selvom de er hundrede til et par tusinde atomer i størrelse . Fordi elektroner kan fanges ved bestemte energiniveauer i dem, kan nanokrystallerne kun udsende visse bølgelængder af lys. Ved at kontrollere størrelsen af ​​partiklerne kan forskerne programmere præcist, hvilken farve kvanteprikkerne vil blinke, når de stimuleres.

På scenen ved offentliggørelsen af ​​Nobelprisen i morges, Johan Åqvist, formand for Nobelkomiteen for Kemi, viste en serie på fem kolber, der hver indeholdt væske, der glødede i en anden farve. Væskerne holdt flydende opløsninger af kvanteprikker på kun et par milliontedele af en millimeter i størrelse. Ved denne lille størrelse begynder "kvantemekanikken at spille alle slags tricks," sagde Åqvist.

Kvantemekanikken forudsiger, at hvis du tager en elektron og klemmer den ind i et lille rum, bliver elektronens bølgefunktion komprimeret, forklaret Heiner Linke, medlem af Nobelkomiteen for Kemi og professor i nanofysik. Jo mindre du gør rummet, jo større er elektronens energi, hvilket betyder, at den kan give mere energi til en foton. I det væsentlige bestemmer størrelsen af ​​en kvanteprik, hvilken farve den skinner. De mindste partikler skinner blåt, mens de større lyser gult og rødt.

I 1970'erne vidste fysikere, at kvantefænomener i teorien burde være forbundet med partikler af ekstremt lille størrelse, ligesom de var med ultratynde film, men den forudsigelse syntes umulig at teste: Der syntes ikke at være nogen god måde at fremstille og håndtere partikler på undtagen inde i andre materialer, der ville skjule deres egenskaber. I 1981 på SI Vavilov State Optical Institute i Sovjetunionen ændrede Ekimov det imidlertid. Mens han tilsatte forbindelser af kobber og klor til et glas, opdagede han, at glassets farve helt afhang af størrelsen af ​​de tilsatte partikler. Han erkendte hurtigt, at kvanteeffekter var den sandsynlige forklaring.

I 1983 på Bell Labs kørte Brus eksperimenter med brugen af ​​lys til at drive kemiske reaktioner. Brus (nu ved Columbia University) bemærkede, at størrelsen af ​​nanopartikler også påvirkede deres optiske egenskaber, selv når de svævede frit i en flydende opløsning. "Dette udløste en masse interesse," sagde Linke.

Den potentielle optoelektroniske nytte af sådanne partikler gik ikke tabt på teknologer, som fulgte føringen af Mark Reed fra Yale University ved at omtale dem som kvanteprikker. Men i det næste årti kæmpede forskere for præcist at kontrollere størrelsen og kvaliteten af ​​disse partikler.

I 1993 opfandt Bawendi imidlertid en "genial kemisk metode" til at lave perfekte nanopartikler, sagde Åqvist. Han var i stand til at kontrollere det nøjagtige tidspunkt i tiden, hvor krystallerne blev dannet, og han var derefter i stand til at stoppe og genstarte yderligere vækst på en kontrolleret måde. Hans opdagelse gjorde kvanteprikker meget nyttige i en række forskellige anvendelser.

Anvendelserne for disse nanopartikler spænder fra LED-skærme og solceller til billeddannelse inden for biokemi og medicin. "Disse resultater repræsenterer en vigtig milepæl inden for nanoteknologi," sagde Åqvist.

Hvad er kvanteprikker?

De er menneskeskabte nanopartikler så små, at deres egenskaber er styret af kvantemekanik. Disse egenskaber omfatter emission af lys: Bølgelængden af ​​lys, de udsender, afhænger udelukkende af partiklernes størrelse. Elektroner i større partikler har mindre energi og udsender rødt lys, hvorimod elektroner i mindre partikler har mere energi og udsender blåt lys.

Forskere kan præcist bestemme, hvilken lysfarve, der kommer frem fra kvanteprikkerne, blot ved at regulere deres størrelse. Det giver en enorm fordel i forhold til brugen af ​​andre slags fluorescerende molekyler, hvortil der er behov for en ny type molekyle for hver enkelt farve.

Denne fordel med hensyn til kontrollerbarhed er ikke begrænset til farven på kvanteprikker. Ved at justere størrelsen af ​​nanopartiklerne kan forskerne også justere deres elektriske, optiske og magnetiske effekter samt fysiske egenskaber som deres smeltepunkt eller hvordan de påvirker kemiske reaktioner.

Hvordan gjorde Bawendis arbejde kvanteprikker praktiske?

I 1993 udviklede Bawendi og hans team ved Massachusetts Institute of Technology en metode til at producere kvanteprikker mere præcist og med højere kvalitet end tidligere muligt. De fandt en måde at dyrke nanokrystallerne på på et øjeblik ved at injicere deres kemiske prækursorer i et ekstremt varmt opløsningsmiddel. Forskerne stoppede derefter øjeblikkeligt væksten af ​​krystallerne ved at sænke temperaturen på opløsningsmidlet, hvilket skabte uendeligt små krystallinske "frø". Ved langsomt at genopvarme opløsningen kunne de regulere yderligere vækst af nanokrystallerne. Deres metode producerede krystaller af en ønsket størrelse reproducerbart, og den kunne tilpasses forskellige systemer.

Hvor bruges kvanteprikker?

Hvis du nogensinde har set programmer på et QLED-tv, har du set disse nanopartikler i spil. Men de bliver også taget i brug i biomedicinsk billeddannelse og belysning. Forskere udforsker stadig yderligere applikationer for disse nanopartikler inden for kvanteberegning og kommunikation, fleksibel elektronik, sensorer, effektive solceller og katalyse til solbrændstoffer.