Nobel-palkinto myönnetään kvanttipiste-nanohiukkasten keksijöille | Quanta-lehti

Kuvittele nanokide, joka on niin pieni, että se käyttäytyy kuin atomi. Moungi G. Bawendi, Louis E. Brus ja Aleksei I. Ekimov ovat saaneet vuoden 2023 kemian Nobel-palkinnon tällaisten pienten ihmeiden, nykyään kvanttipisteinä tunnetun luokan löytämisestä ja tarkan menetelmän kehittämisestä niiden syntetisoimiseksi. Kvanttipisteillä on jo tärkeä rooli elektroniikassa ja biolääketieteessä, kuten lääkkeiden toimittamisessa, kuvantamisessa ja lääketieteellisissä diagnooseissa, ja niillä on lupaavampia sovelluksia tulevaisuudessa, kemian Nobel-komitea sanoi palkinnon julkistamisessaan.

Kvanttipisteet, joita joskus kutsutaan keinotekoisiksi atomeiksi, ovat piistä ja muista puolijohdemateriaaleista valmistettuja tarkkoja nanokiteitä, jotka ovat vain muutaman nanometrin leveitä – riittävän pieniä osoittamaan kvanttiominaisuuksia aivan kuten yksittäisillä atomeilla, vaikka ne ovat kooltaan sadasta muutamaan tuhatta atomia. . Koska elektronit voivat jäädä tietyille energiatasoille niiden sisällä, nanokiteet voivat lähettää vain tietyn aallonpituuden valoa. Hallitsemalla hiukkasten kokoa tutkijat voivat ohjelmoida tarkasti, minkä värin kvanttipisteet vilkkuvat, kun niitä stimuloidaan.

Lavalla Nobel-palkinnon julkistamisessa tänä aamuna, Johan Åqvist, Nobel-kemian komitean puheenjohtaja, esitteli viiden pullon sarjan, joista jokainen sisälsi eri väriä hehkuvaa nestettä. Nesteet sisälsivät vain muutaman millimetrin miljoonasosan kooltaan kvanttipisteiden nestemäisiä liuoksia. Tässä pienessä koossa "kvanttimekaniikka alkaa tehdä kaikenlaisia ​​temppuja", Åqvist sanoi.

Kvanttimekaniikka ennustaa, että jos otat elektronin ja puristat sen pieneen tilaan, elektronin aaltofunktio puristuu. Heiner Linke, Nobelin kemian komitean jäsen ja nanofysiikan professori. Mitä pienemmäksi teet tilan, sitä suurempi on elektronin energia, mikä tarkoittaa, että se voi antaa enemmän energiaa fotonille. Pohjimmiltaan kvanttipisteen koko määrittää sen, minkä värin se loistaa. Pienimmät hiukkaset kiiltävät sinisenä, kun taas suuremmat kiiltävät keltaisena ja punaisena.

1970-luvulla fyysikot tiesivät, että kvanttiilmiöt pitäisi teoriassa yhdistää äärimmäisen pienikokoisiin hiukkasiin, aivan kuten ultraohut kalvot, mutta tämä ennuste näytti mahdottomalta testata: Ei näyttänyt olevan muuta hyvää tapaa valmistaa ja käsitellä hiukkasia paitsi muiden materiaalien sisällä, jotka peittävät niiden ominaisuudet. Vuonna 1981 SI Vavilovin valtion optisessa instituutissa Neuvostoliitossa Ekimov kuitenkin muutti asian. Kun hän lisäsi kuparin ja kloorin yhdisteitä lasiin, hän huomasi, että lasin väri riippui täysin lisättyjen hiukkasten koosta. Hän huomasi nopeasti, että kvanttivaikutukset olivat todennäköinen selitys.

Vuonna 1983 Bell Labsissa Brus suoritti kokeita valon käytöstä kemiallisten reaktioiden ohjaamiseen. Brus (nykyisin Columbian yliopistossa) huomasi, että nanohiukkasten koko vaikutti myös niiden optisiin ominaisuuksiin, vaikka ne kelluivat vapaasti nesteliuoksessa. "Tämä herätti paljon kiinnostusta", Linke sanoi.

Tällaisten hiukkasten potentiaalinen optoelektroninen käyttökelpoisuus ei menettänyt teknikot, jotka seurasivat Mark Reed Yalen yliopistosta viittaamalla niihin kvanttipisteinä. Mutta seuraavan vuosikymmenen ajan tutkijat kamppailivat hallitakseen tarkasti näiden hiukkasten kokoa ja laatua.

Vuonna 1993 Bawendi kuitenkin keksi "nerokkaan kemiallisen menetelmän" täydellisten nanohiukkasten valmistamiseksi, Åqvist sanoi. Hän pystyi kontrolloimaan tarkkaa ajanhetkeä, jolloin kiteet muodostuivat, ja sitten hän pystyi pysäyttämään ja käynnistämään uudelleen kasvun hallitusti. Hänen löytönsä teki kvanttipisteistä laajalti hyödyllisiä monissa sovelluksissa.

Näiden nanohiukkasten sovellukset vaihtelevat LED-näytöistä ja aurinkokennoista kuvantamiseen biokemiassa ja lääketieteessä. "Nämä saavutukset ovat tärkeä virstanpylväs nanoteknologiassa", Åqvist sanoi.

Mitä ovat kvanttipisteet?

Ne ovat ihmisen valmistamia nanohiukkasia, jotka ovat niin pieniä, että niiden ominaisuuksia säätelee kvanttimekaniikka. Näihin ominaisuuksiin kuuluu valon emissio: Niiden lähettämän valon aallonpituus riippuu yksinomaan hiukkasten koosta. Suurempien hiukkasten elektroneilla on vähemmän energiaa ja ne lähettävät punaista valoa, kun taas pienemmissä hiukkasissa elektroneilla on enemmän energiaa ja ne säteilevät sinistä valoa.

Tutkijat voivat määrittää tarkasti, minkä väristä valoa tulee kvanttipisteistä yksinkertaisesti säätämällä niiden kokoa. Se tarjoaa valtavan edun muihin fluoresoiviin molekyyleihin verrattuna, joita varten jokaista eri väriä varten tarvitaan uudenlainen molekyyli.

Tämä ohjattavuuden etu ei rajoitu kvanttipisteiden väriin. Säätämällä nanohiukkasten kokoa tutkijat voivat myös säätää niiden sähköisiä, optisia ja magneettisia vaikutuksia sekä fysikaalisia ominaisuuksia, kuten niiden sulamispistettä tai miten ne vaikuttavat kemiallisiin reaktioihin.

Kuinka Bawendin työ teki kvanttipisteistä käytännöllisiä?

Vuonna 1993 Bawendi ja hänen tiiminsä Massachusetts Institute of Technologyssa kehittivät menetelmän tuottaa kvanttipisteitä tarkemmin ja laadukkaammin kuin aiemmin mahdollista. He löysivät tavan kasvattaa nanokiteitä hetkessä ruiskuttamalla niiden kemialliset esiasteet erittäin kuumaan liuottimeen. Sitten tutkijat pysäyttivät välittömästi kiteiden kasvun alentamalla liuottimen lämpötilaa ja luoden äärettömän pieniä kiteisiä "siemeniä". Hitaasti lämmittämällä liuosta ne voisivat säädellä nanokiteiden lisäkasvua. Heidän menetelmänsä tuotti halutun kokoisia kiteitä toistettavasti, ja se oli mukautettavissa erilaisiin järjestelmiin.

Missä kvanttipisteitä käytetään?

Jos olet koskaan katsonut ohjelmia QLED-televisiosta, olet nähnyt näiden nanohiukkasten pelaavan. Mutta niitä käytetään myös biolääketieteellisessä kuvantamisessa ja valaistuksessa. Tutkijat tutkivat edelleen näiden nanohiukkasten lisäsovelluksia kvanttilaskennassa ja -viestinnässä, joustavassa elektroniikassa, antureissa, tehokkaissa aurinkokennoissa ja aurinkopolttoaineiden katalyysissä.