جایزه نوبل از مخترعان نانوذرات "نقطه کوانتومی" تجلیل شد | مجله کوانتا

یک نانوکریستال را آنقدر کوچک تصور کنید که مانند یک اتم رفتار کند. مونگی جی باوندی, لویی ای بروس و الکسی I. Ekimov جایزه نوبل شیمی 2023 را برای کشف دسته ای از چنین شگفتی های کوچکی که امروزه به عنوان نقاط کوانتومی شناخته می شوند و برای توسعه روشی دقیق برای سنتز آنها دریافت کرده اند. کمیته نوبل شیمی در اعلام این جایزه گفت که نقاط کوانتومی در حال حاضر نقش مهمی در الکترونیک و زیست پزشکی، مانند تحویل دارو، تصویربرداری و تشخیص های پزشکی دارند و کاربردهای امیدوارکننده تری در آینده دارند.

نقاط کوانتومی که گاهی اتم های مصنوعی نیز نامیده می شوند، نانوکریستال های دقیقی هستند که از سیلیکون و سایر مواد نیمه هادی ساخته شده اند که فقط چند نانومتر عرض دارند - به اندازه ای کوچک که می توانند خواص کوانتومی را درست مانند اتم های منفرد نشان دهند، اگرچه اندازه آنها صد تا چند هزار اتم است. . از آنجایی که الکترون‌ها می‌توانند در سطوح انرژی خاصی در درون خود به دام بیفتند، نانوکریستال‌ها می‌توانند تنها طول موج‌های خاصی از نور ساطع کنند. با کنترل اندازه ذرات، محققان می توانند دقیقا برنامه ریزی کنند که نقاط کوانتومی هنگام تحریک چه رنگی چشمک می زند.

روی صحنه در مراسم اعلام جایزه نوبل امروز صبح، یوهان اکویسترئیس کمیته نوبل شیمی، مجموعه ای از پنج فلاسک را به نمایش گذاشت که هر کدام حاوی مایعی بود که رنگ متفاوتی داشت. سیالات محلول های مایع نقاط کوانتومی را فقط چند میلیونم میلی متر نگه می دارند. اکویست گفت: در این اندازه کوچک، «مکانیک کوانتومی شروع به انجام انواع ترفندها می کند».

مکانیک کوانتومی پیش‌بینی می‌کند که اگر یک الکترون را بگیرید و آن را در فضای کوچکی فشار دهید، تابع موج الکترون فشرده می‌شود. هاینر لینکهعضو کمیته نوبل شیمی و استاد نانوفیزیک. هرچه فضا را کوچکتر کنید، انرژی الکترون بزرگتر است، به این معنی که می تواند انرژی بیشتری به یک فوتون بدهد. در اصل، اندازه یک نقطه کوانتومی تعیین می کند که چه رنگی می درخشد. کوچکترین ذرات به رنگ آبی می درخشند، در حالی که ذرات بزرگتر به رنگ زرد و قرمز می درخشند.

در دهه 1970، فیزیکدانان می‌دانستند که پدیده‌های کوانتومی باید در تئوری با ذرات با اندازه بسیار کوچک مرتبط باشند، درست مانند فیلم‌های بسیار نازک، اما آزمایش این پیش‌بینی غیرممکن به نظر می‌رسید: به نظر می‌رسید هیچ راه خوبی برای ساخت و مدیریت ذرات وجود ندارد به جز در داخل مواد دیگری که خواص آنها را پنهان می کند. در سال 1981 در مؤسسه نوری دولتی SI Vavilov در اتحاد جماهیر شوروی، اما Ekimov آن را تغییر داد. در حالی که ترکیبات مس و کلر را به یک لیوان اضافه می کرد، متوجه شد که رنگ شیشه کاملاً به اندازه آن ذرات اضافه شده بستگی دارد. او به سرعت متوجه شد که اثرات کوانتومی توضیح محتمل است.

در سال 1983 در آزمایشگاه بل، بروس آزمایش هایی را در مورد استفاده از نور برای هدایت واکنش های شیمیایی انجام داد. بروس (اکنون در دانشگاه کلمبیا) متوجه شد که اندازه نانوذرات بر خواص نوری آنها حتی زمانی که آزادانه در یک محلول مایع شناور هستند نیز تأثیر می گذارد. لینکه گفت: «این مورد علاقه زیادی را برانگیخت.

کاربرد بالقوه اپتوالکترونیکی چنین ذرات بر سر تکنولوژیست ها از بین نرفته است، آنها از مارک رید دانشگاه ییل از آنها به عنوان نقاط کوانتومی یاد می کند. اما برای دهه بعد، محققان برای کنترل دقیق اندازه و کیفیت این ذرات تلاش کردند.

به گفته اکویست، باوندی در سال 1993 یک "روش شیمیایی مبتکرانه" را برای ساختن نانوذرات کامل اختراع کرد. او می‌توانست دقیقاً لحظه‌ای را که کریستال‌ها تشکیل می‌شوند کنترل کند، و سپس توانست رشد بیشتر را به شیوه‌ای کنترل‌شده متوقف کرده و دوباره شروع کند. کشف او باعث شد که نقاط کوانتومی به طور گسترده ای در کاربردهای مختلف مفید واقع شوند.

کاربردهای این نانوذرات از نمایشگرهای LED و سلول های خورشیدی گرفته تا تصویربرداری در بیوشیمی و پزشکی را شامل می شود. اکویست گفت: «این دستاوردها نقطه عطف مهمی در فناوری نانو است.

نقاط کوانتومی چیست؟

آنها نانوذرات ساخته دست بشر هستند به قدری کوچک که خواص آنها توسط مکانیک کوانتومی کنترل می شود. این ویژگی ها شامل انتشار نور است: طول موج نوری که آنها ساطع می کنند تنها به اندازه ذرات بستگی دارد. الکترون‌های ذرات بزرگ‌تر انرژی کمتری دارند و نور قرمز ساطع می‌کنند، در حالی که الکترون‌های ذرات کوچک‌تر انرژی بیشتری دارند و نور آبی ساطع می‌کنند.

محققان می توانند دقیقاً تعیین کنند که چه رنگی از نور از نقاط کوانتومی به سادگی با تنظیم اندازه آنها خارج می شود. این مزیت بزرگی نسبت به استفاده از انواع دیگر مولکول های فلورسنت دارد که برای هر رنگ متمایز به نوع جدیدی از مولکول نیاز است.

این مزیت در کنترل پذیری به رنگ نقاط کوانتومی محدود نمی شود. با تنظیم اندازه نانوذرات، محققان همچنین می‌توانند اثرات الکتریکی، نوری و مغناطیسی و همچنین خواص فیزیکی مانند نقطه ذوب یا نحوه تأثیر آنها بر واکنش‌های شیمیایی را تنظیم کنند.

کار باوندی چگونه نقاط کوانتومی را عملی کرد؟

در سال 1993، باوندی و تیمش در مؤسسه فناوری ماساچوست روشی را برای تولید نقاط کوانتومی با دقت و کیفیت بالاتری نسبت به گذشته توسعه دادند. آنها راهی برای رشد نانوبلورها در یک لحظه با تزریق پیش سازهای شیمیایی آنها به یک حلال بسیار داغ پیدا کردند. سپس محققان بلافاصله رشد کریستال ها را با کاهش دمای حلال متوقف کردند و "دانه های کریستالی" بی نهایت کوچک ایجاد کردند. با گرم کردن مجدد محلول، آنها می توانند رشد بیشتر نانوبلورها را تنظیم کنند. روش آنها کریستال هایی با اندازه دلخواه را به صورت تکراری تولید کرد و با سیستم های مختلف سازگار بود.

نقاط کوانتومی کجا استفاده می شود؟

اگر تا به حال برنامه هایی را در تلویزیون QLED تماشا کرده باشید، این نانوذرات را در حال بازی دیده اید. اما از آنها در تصویربرداری زیست پزشکی و نورپردازی نیز استفاده می شود. محققان هنوز در حال بررسی کاربردهای اضافی برای این نانوذرات در محاسبات و ارتباطات کوانتومی، الکترونیک انعطاف‌پذیر، حسگرها، سلول‌های خورشیدی کارآمد و کاتالیزور برای سوخت‌های خورشیدی هستند.