Nobel-díjjal jutalmazzák a „kvantumpontos” nanorészecskék feltalálóit | Quanta Magazin

Képzeljünk el egy olyan apró nanokristályt, hogy úgy viselkedik, mint egy atom. Moungi G. Bawendi, Louis E. Brus és a Alekszej I. Ekimov 2023-ban megkapták a kémiai Nobel-díjat, amiért felfedeztek egy ilyen parányi csodát, amelyet ma kvantumpontokként ismernek, és a szintézisük pontos módszerének kidolgozásáért. A kvantumpontok már most is fontos szerepet töltenek be az elektronikában és a biomedicinában, például a gyógyszerszállításban, a képalkotásban és az orvosi diagnosztikában, és a jövőben ígéretesebb alkalmazások is lesznek – áll a kémiai Nobel-bizottság közleményében.

A kvantumpontok, amelyeket néha mesterséges atomoknak is neveznek, precíz, szilíciumból és más félvezető anyagokból készült nanokristályok, amelyek mindössze néhány nanométer szélesek – elég kicsik ahhoz, hogy kvantumtulajdonságokat mutassanak, mint az egyes atomok, bár méretük száz-néhány ezer atom. . Mivel az elektronok bizonyos energiaszinteken csapdába eshetnek bennük, a nanokristályok csak bizonyos hullámhosszú fényt bocsáthatnak ki. A részecskék méretének szabályozásával a kutatók pontosan beprogramozhatják, hogy a kvantumpontok milyen színben villognak, ha stimulálják őket.

A Nobel-díj ma délelőtti átadásán a színpadon Johan Åqvist, a Nobel Kémiai Bizottság elnöke, egy öt lombikot mutatott be, amelyek mindegyike különböző színű izzó folyadékot tartalmazott. A folyadékok mindössze néhány milliomod milliméter méretű kvantumpontokból álló folyékony oldatokat tartalmaztak. Ennél az apró méretnél „a kvantummechanika mindenféle trükköt elkezd játszani” – mondta Åqvist.

A kvantummechanika azt jósolja, hogy ha veszünk egy elektront, és kis térbe szorítjuk, az elektron hullámfüggvénye összenyomódik. Heiner Linke, a Nobel Kémiai Bizottság tagja és a nanofizika professzora. Minél kisebbre teszed a teret, annál nagyobb az elektron energiája, ami azt jelenti, hogy több energiát tud adni egy fotonnak. Lényegében a kvantumpont mérete határozza meg, hogy milyen színben világít. A legkisebb részecskék kéken, míg a nagyobbak sárgán és vörösen ragyognak.

Az 1970-es évekre a fizikusok tudták, hogy a kvantumjelenségeket elméletileg rendkívül kis méretű részecskékkel kell összefüggésbe hozni, csakúgy, mint az ultravékony filmekkel, de ezt az előrejelzést lehetetlennek tűnt ellenőrizni: úgy tűnt, hogy nincs jó módszer a részecskék előállítására és kezelésére, kivéve más anyagok belsejében, amelyek elfednék tulajdonságaikat. 1981-ben a Szovjetunió SI Vavilov Állami Optikai Intézetében azonban Ekimov megváltoztatta ezt. Miközben réz-klórvegyületeket adott egy pohárba, felfedezte, hogy az üveg színe teljes mértékben a hozzáadott részecskék méretétől függ. Gyorsan felismerte, hogy a kvantumhatások a valószínű magyarázat.

1983-ban a Bell Labs-ban Brus kísérleteket végzett a fény kémiai reakciók előidézésére való felhasználásával kapcsolatban. Brus (jelenleg a Columbia Egyetemen) észrevette, hogy a nanorészecskék mérete is befolyásolja optikai tulajdonságaikat, még akkor is, ha folyékony oldatban szabadon lebegnek. „Ez nagy érdeklődést váltott ki” – mondta Linke.

Az ilyen részecskék potenciális optoelektronikai hasznossága nem veszett el a technológusok előtt, akik követték a Mark Reed a Yale Egyetemről, amikor kvantumpontoknak nevezte őket. De a következő évtizedben a kutatók küzdöttek azért, hogy pontosan szabályozzák e részecskék méretét és minőségét.

1993-ban azonban Bawendi feltalált egy „zseniális kémiai módszert” tökéletes nanorészecskék előállítására, mondta Åqvist. Képes volt pontosan szabályozni azt a pillanatot, amikor a kristályok kialakulnak, majd képes volt megállítani és újraindítani a további növekedést kontrollált módon. Felfedezése széles körben hasznosította a kvantumpontokat számos alkalmazásban.

Ezeknek a nanorészecskéknek az alkalmazásai a LED-kijelzőktől és a napelemektől a biokémia és az orvostudomány képalkotásáig terjednek. „Ezek az eredmények fontos mérföldkövet jelentenek a nanotechnológiában” – mondta Åqvist.

Mik azok a kvantumpontok?

Ember által készített nanorészecskék olyan kicsik, hogy tulajdonságaikat a kvantummechanika szabályozza. Ezek a tulajdonságok közé tartozik a fénykibocsátás: Az általuk kibocsátott fény hullámhossza kizárólag a részecskék méretétől függ. A nagyobb részecskék elektronjai kevesebb energiával rendelkeznek és vörös fényt bocsátanak ki, míg a kisebb részecskék elektronjai több energiával rendelkeznek és kék fényt bocsátanak ki.

A kutatók pontosan meg tudják határozni, milyen színű fény fog kijönni a kvantumpontokból, pusztán a méretük szabályozásával. Ez óriási előnyt jelent más típusú fluoreszcens molekulákkal szemben, amelyekhez minden egyes színhez új típusú molekulára van szükség.

A szabályozhatóság ezen előnye nem korlátozódik a kvantumpontok színére. A nanorészecskék méretének beállításával a kutatók módosíthatják azok elektromos, optikai és mágneses hatásait, valamint fizikai tulajdonságaikat, például az olvadáspontjukat vagy azt, hogy hogyan befolyásolják a kémiai reakciókat.

Hogyan tette Bawendi munkája gyakorlativá a kvantumpontokat?

1993-ban Bawendi és csapata a Massachusetts Institute of Technology-ban kifejlesztett egy módszert a kvantumpontok pontosabb és jobb minőségű előállítására, mint korábban lehetséges volt. Megtalálták a módját a nanokristályok egy pillanat alatti növesztésére oly módon, hogy kémiai prekurzoraikat egy rendkívül forró oldószerbe fecskendezték be. A kutatók ezután azonnal leállították a kristályok növekedését az oldószer hőmérsékletének csökkentésével, és végtelenül kicsiny kristályos "magokat" hoztak létre. Az oldat lassú újramelegítésével szabályozni tudták a nanokristályok további növekedését. Módszerükkel reprodukálhatóan állítottak elő kívánt méretű kristályokat, amelyek különböző rendszerekhez adaptálhatóak voltak.

Hol használják a kvantumpontokat?

Ha valaha is nézett programokat QLED TV-n, láthatta ezeket a nanorészecskéket játék közben. De az orvosbiológiai képalkotásban és világításban is használják őket. A kutatók még mindig kutatják e nanorészecskék további alkalmazásait a kvantumszámítástechnikában és a kommunikációban, a rugalmas elektronikában, az érzékelőkben, a hatékony napelemekben és a napenergia-üzemanyagok katalízisében.