Nobelpreis ehrt Erfinder von „Quantum Dot“-Nanopartikeln | Quanta-Magazin

Stellen Sie sich einen Nanokristall vor, der so winzig ist, dass er sich wie ein Atom verhält. Moungi G. Bawendi, Louis E. Brus und Alexei I. Jekimow wurden mit dem Nobelpreis für Chemie 2023 für die Entdeckung einer Kategorie solch winziger Wunderwerke, die heute als Quantenpunkte bekannt sind, und für die Entwicklung einer präzisen Methode zu deren Synthese ausgezeichnet. Quantenpunkte spielen bereits heute eine wichtige Rolle in der Elektronik und Biomedizin, etwa bei der Medikamentenverabreichung, Bildgebung und medizinischen Diagnosen, und haben in der Zukunft noch vielversprechendere Anwendungen, erklärte das Nobelkomitee für Chemie in der Bekanntgabe des Preises.

Quantenpunkte, manchmal auch künstliche Atome genannt, sind präzise Nanokristalle aus Silizium und anderen Halbleitermaterialien, die nur wenige Nanometer breit sind – klein genug, um Quanteneigenschaften zu zeigen, genau wie einzelne Atome, obwohl sie hundert bis einige tausend Atome groß sind . Da Elektronen bei bestimmten Energieniveaus in ihnen gefangen werden können, können die Nanokristalle nur bestimmte Lichtwellenlängen emittieren. Durch die Steuerung der Partikelgröße können Forscher genau programmieren, welche Farbe die Quantenpunkte bei Stimulation blinken.

Auf der Bühne bei der Bekanntgabe des Nobelpreises heute Morgen, Johan Åqvist, Vorsitzender des Nobelkomitees für Chemie, stellte eine Reihe von fünf Kolben aus, von denen jeder eine Flüssigkeit enthielt, die in einer anderen Farbe leuchtete. Die Flüssigkeiten enthielten flüssige Lösungen von Quantenpunkten mit einer Größe von nur wenigen Millionstel Millimetern. Bei dieser winzigen Größe „beginnt die Quantenmechanik, alle möglichen Streiche zu spielen“, sagte Åqvist.

Die Quantenmechanik sagt voraus, dass die Wellenfunktion des Elektrons komprimiert wird, wenn man ein Elektron nimmt und es auf kleinem Raum zusammendrückt, erklärt er Heiner Linke, Mitglied des Nobelkomitees für Chemie und Professor für Nanophysik. Je kleiner man den Raum verkleinert, desto größer ist die Energie des Elektrons, was bedeutet, dass es einem Photon mehr Energie geben kann. Im Wesentlichen bestimmt die Größe eines Quantenpunkts, welche Farbe er leuchtet. Die kleinsten Partikel leuchten blau, während die größeren gelb und rot leuchten.

In den 1970er Jahren wussten Physiker, dass Quantenphänomene theoretisch mit extrem kleinen Teilchen in Verbindung gebracht werden sollten, genau wie bei ultradünnen Filmen, aber diese Vorhersage schien unmöglich zu überprüfen: Es schien keine gute Möglichkeit zu geben, Teilchen anders herzustellen und zu handhaben in anderen Materialien, die ihre Eigenschaften verschleiern würden. 1981 änderte Jekimow am Staatlichen Optischen Institut S. I. Wawilow in der Sowjetunion dies jedoch. Als er einem Glas Verbindungen aus Kupfer und Chlor hinzufügte, entdeckte er, dass die Farbe des Glases vollständig von der Größe der hinzugefügten Partikel abhängt. Er erkannte schnell, dass Quanteneffekte die wahrscheinliche Erklärung waren.

Im Jahr 1983 führte Brus in den Bell Labs Experimente zur Nutzung von Licht zur Steuerung chemischer Reaktionen durch. Brus (jetzt an der Columbia University) bemerkte, dass die Größe von Nanopartikeln auch ihre optischen Eigenschaften beeinflusste, selbst wenn sie frei in einer flüssigen Lösung schwebten. „Das hat großes Interesse geweckt“, sagte Linke.

Der potenzielle optoelektronische Nutzen solcher Partikel war den Technologen nicht entgangen, die dem Beispiel folgten Mark Rot von der Yale University, die sie als Quantenpunkte bezeichnet. Doch im nächsten Jahrzehnt hatten die Forscher Mühe, die Größe und Qualität dieser Partikel genau zu kontrollieren.

1993 erfand Bawendi jedoch eine „geniale chemische Methode“ zur Herstellung perfekter Nanopartikel, sagte Åqvist. Er konnte den genauen Zeitpunkt kontrollieren, zu dem sich die Kristalle bildeten, und dann das weitere Wachstum kontrolliert stoppen und neu starten. Seine Entdeckung machte Quantenpunkte für eine Vielzahl von Anwendungen von großem Nutzen.

Die Anwendungen dieser Nanopartikel reichen von LED-Anzeigen und Solarzellen bis hin zur Bildgebung in der Biochemie und Medizin. „Diese Erfolge stellen einen wichtigen Meilenstein in der Nanotechnologie dar“, sagte Åqvist.

Was sind Quantenpunkte?

Es handelt sich um vom Menschen hergestellte Nanopartikel, die so klein sind, dass ihre Eigenschaften durch die Quantenmechanik bestimmt werden. Zu diesen Eigenschaften gehört auch die Emission von Licht: Die Wellenlänge des von ihnen emittierten Lichts hängt allein von der Größe der Partikel ab. Elektronen in größeren Partikeln haben weniger Energie und emittieren rotes Licht, während Elektronen in kleineren Partikeln mehr Energie haben und blaues Licht emittieren.

Durch die Regulierung ihrer Größe können Forscher genau bestimmen, welche Lichtfarbe aus den Quantenpunkten austritt. Dies bietet einen großen Vorteil gegenüber der Verwendung anderer Arten von fluoreszierenden Molekülen, bei denen für jede einzelne Farbe ein neuer Molekültyp benötigt wird.

Dieser Vorteil in der Steuerbarkeit ist nicht auf die Farbe von Quantenpunkten beschränkt. Durch die Anpassung der Größe der Nanopartikel können Forscher auch deren elektrische, optische und magnetische Wirkung sowie physikalische Eigenschaften wie ihren Schmelzpunkt oder die Art und Weise, wie sie chemische Reaktionen beeinflussen, anpassen.

Wie hat Bawendis Arbeit Quantenpunkte praktisch gemacht?

1993 entwickelten Bawendi und sein Team am Massachusetts Institute of Technology eine Methode, um Quantenpunkte präziser und mit höherer Qualität herzustellen als bisher. Sie fanden einen Weg, die Nanokristalle im Handumdrehen wachsen zu lassen, indem sie ihre chemischen Vorläufer in ein extrem heißes Lösungsmittel injizierten. Anschließend stoppten die Forscher das Wachstum der Kristalle sofort, indem sie die Temperatur des Lösungsmittels senkten, wodurch winzige kristalline „Keime“ entstanden. Durch langsames erneutes Erhitzen der Lösung könnten sie das weitere Wachstum der Nanokristalle regulieren. Ihre Methode erzeugte reproduzierbar Kristalle einer gewünschten Größe und war an verschiedene Systeme anpassbar.

Wo werden Quantenpunkte eingesetzt?

Wenn Sie jemals Sendungen auf einem QLED-Fernseher gesehen haben, haben Sie diese Nanopartikel im Spiel gesehen. Aber auch in der biomedizinischen Bildgebung und Beleuchtung kommen sie zum Einsatz. Forscher erforschen immer noch weitere Anwendungen dieser Nanopartikel in den Bereichen Quantencomputer und Kommunikation, flexible Elektronik, Sensoren, effiziente Solarzellen und Katalyse für Solarbrennstoffe.