Nobeli preemia autasustatakse kvantpunktide nanoosakeste leiutajaid | Ajakiri Quanta

Kujutage ette nanokristalli, mis on nii väike, et see käitub nagu aatom. Moungi G. Bawendi, Louis E. Brus ja Aleksei I. Ekimov on pälvinud 2023. aasta Nobeli keemiaauhinna selliste väikeste imede kategooria avastamise eest, mida tänapäeval tuntakse kvantpunktidena, ja nende sünteesimiseks täpse meetodi väljatöötamise eest. Kvantpunktid mängivad juba olulist rolli elektroonikas ja biomeditsiinis, näiteks ravimite kohaletoimetamises, pildistamises ja meditsiinilistes diagnoosides, ning neil on tulevikus paljulubavamad rakendused, teatas Nobeli keemiakomitee oma auhinna väljakuulutamisel.

Kvantpunktid, mida mõnikord nimetatakse tehisaatomiteks, on ränist ja muudest pooljuhtmaterjalidest valmistatud täpsed nanokristallid, mis on vaid mõne nanomeetri laiused – piisavalt väikesed, et omada kvantomadusi täpselt nagu üksikutel aatomitel, kuigi nende suurus on sada kuni paar tuhat aatomit. . Kuna elektronid võivad nende sees teatud energiatasemetel kinni jääda, võivad nanokristallid kiirata ainult teatud lainepikkusega valgust. Osakeste suurust kontrollides saavad teadlased täpselt programmeerida, mis värvi kvantpunktid stimuleerimisel vilkuvad.

Täna hommikul Nobeli auhinna väljakuulutamisel laval, Johan Åqvist, Nobeli keemiakomitee esimees, näitas viiest pudelist koosnevat seeriat, millest igaüks sisaldas erinevat värvi hõõguvat vedelikku. Vedelikud sisaldasid vaid mõne miljondiku millimeetri suuruseid kvantpunktide vedelaid lahuseid. Selle väikese suurusega "hakkab kvantmehaanika mängima igasuguseid trikke," ütles Åqvist.

Kvantmehaanika ennustab, et kui võtta elektron ja pigistada see väikesesse ruumi, siis elektroni lainefunktsioon surutakse kokku. Heiner Linke, Nobeli keemiakomitee liige ja nanofüüsika professor. Mida väiksemaks ruumi muudate, seda suurem on elektroni energia, mis tähendab, et see võib footonile rohkem energiat anda. Sisuliselt määrab kvantpunkti suurus, mis värvi see särab. Väiksemad osakesed säravad siniselt, suuremad aga kollase ja punasena.

1970. aastateks teadsid füüsikud, et kvantnähtusi tuleks teoreetiliselt seostada üliväikeste osakestega, täpselt nagu üliõhukeste kilede puhul, kuid seda ennustust tundus võimatu testida: näis, et osakeste valmistamiseks ja käsitlemiseks pole head viisi, välja arvatud muude materjalide sees, mis varjaksid nende omadusi. 1981. aastal Nõukogude Liidus SI Vavilovi Riiklikus Optikainstituudis Ekimov aga seda muutis. Klaasi vase ja kloori ühendeid lisades avastas ta, et klaasi värvus sõltus täielikult nende lisatud osakeste suurusest. Ta mõistis kiiresti, et kvantefektid olid tõenäoline selgitus.

1983. aastal tegi Brus Bell Labsis katseid valguse kasutamise kohta keemiliste reaktsioonide käivitamiseks. Brus (praegu Columbia ülikoolis) märkas, et nanoosakeste suurus mõjutas ka nende optilisi omadusi isegi siis, kui nad vedelesid vabalt vedelas lahuses. "See tekitas palju huvi, " ütles Linke.

Selliste osakeste potentsiaalne optoelektrooniline kasulikkus ei kaotanud tehnoloogid, kes järgisid Mark Reed Yale'i ülikoolist, nimetades neid kvantpunktideks. Kuid järgmise kümnendi jooksul püüdsid teadlased nende osakeste suurust ja kvaliteeti täpselt kontrollida.

1993. aastal leiutas Bawendi aga "geniaalse keemilise meetodi" täiuslike nanoosakeste valmistamiseks, ütles Åqvist. Ta suutis kontrollida täpset ajahetke, mil kristallid tekkisid, ning seejärel suutis ta edasise kasvu kontrollitult peatada ja taaskäivitada. Tema avastus muutis kvantpunktid laialdaselt kasulikuks mitmesugustes rakendustes.

Nende nanoosakeste rakendused ulatuvad LED-ekraanidest ja päikesepatareidest kuni pildistamiseni biokeemias ja meditsiinis. "Need saavutused on nanotehnoloogia oluline verstapost," ütles Åqvist.

Mis on kvantpunktid?

Need on inimese loodud nanoosakesed, mis on nii väikesed, et nende omadusi reguleerib kvantmehaanika. Need omadused hõlmavad valguse emissiooni: nende kiiratava valguse lainepikkus sõltub ainult osakeste suurusest. Suuremate osakeste elektronidel on vähem energiat ja nad kiirgavad punast valgust, väiksemate osakeste elektronidel on aga rohkem energiat ja nad kiirgavad sinist valgust.

Teadlased saavad lihtsalt nende suurust reguleerides täpselt kindlaks teha, mis värvi valgus kvantpunktidest väljub. See annab tohutu eelise teist tüüpi fluorestseeruvate molekulide kasutamise ees, mille jaoks on iga erineva värvi jaoks vaja uut tüüpi molekule.

See juhitavuse eelis ei piirdu kvantpunktide värviga. Reguleerides nanoosakeste suurust, saavad teadlased reguleerida ka nende elektrilisi, optilisi ja magnetilisi mõjusid, samuti füüsikalisi omadusi, nagu sulamistemperatuur või kuidas need mõjutavad keemilisi reaktsioone.

Kuidas muutis Bawendi töö kvantpunktid praktiliseks?

1993. aastal töötas Bawendi ja tema meeskond Massachusettsi Tehnoloogiainstituudis välja meetodi kvantpunktide tootmiseks senisest täpsemalt ja kõrgema kvaliteediga. Nad leidsid viisi nanokristallide kasvatamiseks hetkega, süstides nende keemilisi lähteaineid äärmiselt kuuma lahustisse. Seejärel peatasid teadlased kohe kristallide kasvu, alandades lahusti temperatuuri, luues lõpmatult väikesed kristalsed "seemned". Lahuse aeglaselt kuumutades võivad nad reguleerida nanokristallide edasist kasvu. Nende meetod andis soovitud suurusega kristalle reprodutseeritavalt ja see oli kohandatav erinevatele süsteemidele.

Kus kvantpunkte kasutatakse?

Kui olete kunagi QLED-telerist saateid vaadanud, olete näinud neid nanoosakesi mängimas. Kuid neid kasutatakse ka biomeditsiinilises pildistamises ja valgustuses. Teadlased uurivad endiselt nende nanoosakeste täiendavaid rakendusi kvantarvutustes ja sides, paindlikus elektroonikas, andurites, tõhusates päikesepatareides ja päikesekütuste katalüüsis.