Hadiah Nobel Menghormati Penemu Nanopartikel 'Quantum Dot' | Majalah Kuanta

Bayangkan sebuah kristal nano yang sangat kecil sehingga berperilaku seperti atom. Moungi G.Bawendi, Louis E.Brus dan Alexei I.Ekimov telah dianugerahi Hadiah Nobel Kimia tahun 2023 karena menemukan kategori keajaiban kecil, yang sekarang dikenal sebagai titik kuantum, dan karena mengembangkan metode sintesisnya yang tepat. Titik kuantum sudah memainkan peran penting dalam elektronik dan biomedis, seperti dalam pemberian obat, pencitraan dan diagnosis medis, dan memiliki penerapan yang lebih menjanjikan di masa depan, kata Komite Nobel Kimia dalam pengumuman penghargaan tersebut.

Titik kuantum, terkadang disebut atom buatan, adalah kristal nano presisi yang terbuat dari silikon dan bahan semikonduktor lainnya yang lebarnya hanya beberapa nanometer — cukup kecil untuk menunjukkan sifat kuantum seperti halnya atom individu, meskipun ukurannya ratusan hingga beberapa ribu atom. . Karena elektron dapat terperangkap pada tingkat energi tertentu di dalamnya, nanokristal hanya dapat memancarkan cahaya dengan panjang gelombang tertentu. Dengan mengontrol ukuran partikel, peneliti dapat memprogram dengan tepat warna titik kuantum yang akan berkedip ketika distimulasi.

Di atas panggung saat pengumuman Hadiah Nobel pagi ini, Johan Åqvist, ketua Komite Nobel Kimia, memamerkan serangkaian lima botol, masing-masing berisi cairan yang bersinar dengan warna berbeda. Cairan tersebut menampung larutan cair titik-titik kuantum yang ukurannya hanya sepersejuta milimeter. Pada ukuran sekecil ini, “mekanika kuantum mulai memainkan segala macam trik,” kata Åqvist.

Mekanika kuantum memperkirakan bahwa jika Anda mengambil elektron dan memasukkannya ke dalam ruang kecil, fungsi gelombang elektron akan terkompresi, jelasnya Heiner Linke, anggota Komite Nobel Kimia dan profesor nanofisika. Semakin kecil ruang yang dibuat, semakin besar energi elektron, yang berarti dapat memberikan lebih banyak energi pada foton. Intinya, ukuran titik kuantum menentukan warna yang bersinar. Partikel terkecil bersinar biru, sedangkan partikel besar bersinar kuning dan merah.

Pada tahun 1970-an, para fisikawan mengetahui bahwa fenomena kuantum secara teori seharusnya diasosiasikan dengan partikel berukuran sangat kecil, seperti halnya dengan film ultra tipis, namun prediksi tersebut tampaknya mustahil untuk diuji: Tampaknya tidak ada cara yang baik untuk membuat dan menangani partikel kecuali di dalam bahan lain yang akan menutupi sifat-sifatnya. Namun, pada tahun 1981 di Institut Optik Negara SI Vavilov di Uni Soviet, Ekimov mengubahnya. Saat menambahkan senyawa tembaga dan klorin ke dalam gelas, ia menemukan bahwa warna kaca sepenuhnya bergantung pada ukuran partikel yang ditambahkan tersebut. Dia dengan cepat menyadari bahwa efek kuantum adalah penjelasan yang mungkin.

Pada tahun 1983 di Bell Labs, Brus menjalankan eksperimen penggunaan cahaya untuk menggerakkan reaksi kimia. Brus (sekarang di Universitas Columbia) memperhatikan bahwa ukuran nanopartikel juga mempengaruhi sifat optiknya bahkan ketika partikel tersebut mengambang bebas dalam larutan cair. “Ini memicu banyak minat,” kata Linke.

Potensi kegunaan optoelektronik dari partikel-partikel tersebut tidak luput dari perhatian para teknolog, yang mengikuti jejaknya Mark Reed dari Universitas Yale yang menyebutnya sebagai titik kuantum. Namun pada dekade berikutnya, para peneliti kesulitan mengontrol ukuran dan kualitas partikel-partikel ini secara tepat.

Namun pada tahun 1993, Bawendi menemukan “metode kimia yang cerdik” untuk membuat nanopartikel yang sempurna, kata Åqvist. Dia mampu mengontrol momen yang tepat ketika kristal terbentuk, dan dia kemudian dapat menghentikan dan memulai kembali pertumbuhan lebih lanjut dengan cara yang terkendali. Penemuannya membuat titik-titik kuantum berguna secara luas dalam berbagai aplikasi.

Aplikasi nanopartikel ini berkisar dari tampilan LED dan sel surya hingga pencitraan dalam biokimia dan kedokteran. “Pencapaian ini mewakili tonggak penting dalam nanoteknologi,” kata Åqvist.

Apa itu titik kuantum?

Mereka adalah nanopartikel buatan manusia yang sangat kecil sehingga sifat-sifatnya diatur oleh mekanika kuantum. Sifat-sifat tersebut mencakup emisi cahaya: Panjang gelombang cahaya yang dipancarkannya hanya bergantung pada ukuran partikel. Elektron dalam partikel yang lebih besar memiliki energi yang lebih kecil dan memancarkan cahaya merah, sedangkan elektron dalam partikel yang lebih kecil memiliki energi yang lebih besar dan memancarkan cahaya biru.

Para peneliti dapat menentukan dengan tepat warna cahaya apa yang akan muncul dari titik-titik kuantum hanya dengan mengatur ukurannya. Hal ini menawarkan keuntungan besar dibandingkan penggunaan jenis molekul fluoresen lainnya, yang memerlukan jenis molekul baru untuk setiap warna berbeda.

Keuntungan dalam pengendalian ini tidak terbatas pada warna titik kuantum. Dengan menyesuaikan ukuran nanopartikel, peneliti juga dapat menyesuaikan efek listrik, optik, dan magnetiknya, serta sifat fisik seperti titik lelehnya atau pengaruhnya terhadap reaksi kimia.

Bagaimana karya Bawendi membuat titik-titik kuantum menjadi praktis?

Pada tahun 1993, Bawendi dan timnya di Massachusetts Institute of Technology mengembangkan metode untuk menghasilkan titik-titik kuantum dengan lebih presisi dan kualitas lebih tinggi dari sebelumnya. Mereka menemukan cara untuk menumbuhkan nanokristal dalam sekejap dengan menyuntikkan prekursor kimianya ke dalam pelarut yang sangat panas. Para peneliti kemudian segera menghentikan pertumbuhan kristal dengan menurunkan suhu pelarut, sehingga menciptakan “benih” kristal yang sangat kecil. Dengan memanaskan kembali larutan secara perlahan, mereka dapat mengatur pertumbuhan nanokristal lebih lanjut. Metode mereka menghasilkan kristal dengan ukuran yang diinginkan dan dapat direproduksi, dan dapat disesuaikan dengan sistem yang berbeda.

Di mana titik kuantum digunakan?

Jika Anda pernah menonton acara di QLED TV, Anda pasti pernah melihat nanopartikel ini berperan. Namun mereka juga digunakan dalam pencitraan dan pencahayaan biomedis. Para peneliti masih menjajaki aplikasi tambahan untuk nanopartikel ini dalam komputasi dan komunikasi kuantum, elektronik fleksibel, sensor, sel surya yang efisien, dan katalisis untuk bahan bakar surya.