Il premio Nobel premia gli inventori delle nanoparticelle "Quantum Dot" | Rivista Quanti

Immagina un nanocristallo così minuscolo da comportarsi come un atomo. Moungi G. Bawendi, Louis E. Brus ed Alexei I. Ekimov hanno ricevuto il Premio Nobel per la Chimica 2023 per aver scoperto una categoria di piccole meraviglie, ora note come punti quantici, e per aver sviluppato un metodo preciso per sintetizzarle. I punti quantici stanno già svolgendo un ruolo importante nell’elettronica e nella biomedicina, come nella somministrazione di farmaci, nell’imaging e nella diagnosi medica, e hanno applicazioni più promettenti in futuro, ha affermato il Comitato Nobel per la Chimica nel suo annuncio del premio.

I punti quantici, a volte chiamati atomi artificiali, sono nanocristalli precisi fatti di silicio e altri materiali semiconduttori che sono larghi solo pochi nanometri, abbastanza piccoli da mostrare proprietà quantistiche proprio come fanno i singoli atomi, sebbene abbiano dimensioni da centinaia a poche migliaia di atomi. . Poiché gli elettroni possono essere intrappolati al loro interno a determinati livelli energetici, i nanocristalli possono emettere solo determinate lunghezze d’onda della luce. Controllando la dimensione delle particelle, i ricercatori possono programmare con precisione il colore in cui lampeggeranno i punti quantici quando stimolati.

Sul palco dell'annuncio del Premio Nobel questa mattina, Johan Åqvist, presidente del Comitato per il Nobel per la Chimica, ha mostrato una serie di cinque fiasche, ciascuna contenente un liquido che brillava di un colore diverso. I fluidi contenevano soluzioni liquide di punti quantici di dimensioni solo pochi milionesimi di millimetro. A queste dimensioni così ridotte, “la meccanica quantistica inizia a giocare tutti i tipi di trucchi”, ha detto Åqvist.

La meccanica quantistica prevede che se prendi un elettrone e lo comprimi in uno spazio piccolo, la funzione d'onda dell'elettrone viene compressa, spiega Heiner Linke, membro del Comitato per il Nobel per la Chimica e professore di nanofisica. Più piccolo è lo spazio, maggiore è l'energia dell'elettrone, il che significa che può cedere più energia a un fotone. In sostanza, la dimensione di un punto quantico determina di che colore brilla. Le particelle più piccole brillano di blu, mentre quelle più grandi brillano di giallo e rosso.

Negli anni '1970, i fisici sapevano che i fenomeni quantistici avrebbero dovuto in teoria essere associati a particelle di dimensioni estremamente piccole, proprio come lo erano con le pellicole ultrasottili, ma quella previsione sembrava impossibile da verificare: sembrava che non esistesse un buon modo per creare e maneggiare le particelle tranne all'interno di altri materiali che ne maschererebbero le proprietà. Nel 1981, presso l'Istituto ottico statale SI Vavilov in Unione Sovietica, Ekimov cambiò la situazione. Mentre aggiungeva composti di rame e cloro a un bicchiere, scoprì che il colore del vetro dipendeva interamente dalla dimensione delle particelle aggiunte. Riconobbe subito che gli effetti quantistici erano la spiegazione più probabile.

Nel 1983 ai Bell Labs, Brus stava eseguendo esperimenti sull'uso della luce per guidare reazioni chimiche. Brus (ora alla Columbia University) notò che la dimensione delle nanoparticelle influenzava anche le loro proprietà ottiche anche quando fluttuavano liberamente in una soluzione liquida. "Ciò ha suscitato molto interesse", ha detto Linke.

La potenziale utilità optoelettronica di tali particelle non sfuggì agli scienziati, che ne seguirono l'esempio Mark Reed dell'Università di Yale chiamandoli punti quantici. Ma nel decennio successivo i ricercatori hanno faticato a controllare con precisione le dimensioni e la qualità di queste particelle.

Nel 1993, tuttavia, Bawendi ha inventato un “metodo chimico ingegnoso” per creare nanoparticelle perfette, ha detto Åqvist. È stato in grado di controllare il momento esatto in cui si sono formati i cristalli, ed è stato quindi in grado di arrestare e riavviare un'ulteriore crescita in modo controllato. La sua scoperta ha reso i punti quantici ampiamente utili in una varietà di applicazioni.

Le applicazioni di queste nanoparticelle spaziano dai display LED e dalle celle solari all'imaging in biochimica e medicina. "Questi risultati rappresentano un'importante pietra miliare nel campo delle nanotecnologie", ha affermato Åqvist.

Cosa sono i punti quantici?

Sono nanoparticelle create dall’uomo così piccole che le loro proprietà sono governate dalla meccanica quantistica. Queste proprietà includono l'emissione di luce: la lunghezza d'onda della luce che emettono dipende esclusivamente dalla dimensione delle particelle. Gli elettroni nelle particelle più grandi hanno meno energia ed emettono luce rossa, mentre gli elettroni nelle particelle più piccole hanno più energia ed emettono luce blu.

I ricercatori possono determinare con precisione quale colore della luce emergerà dai punti quantici semplicemente regolandone le dimensioni. Ciò offre un enorme vantaggio rispetto all’uso di altri tipi di molecole fluorescenti, per le quali è necessario un nuovo tipo di molecola per ogni colore distinto.

Questo vantaggio in termini di controllabilità non si limita al colore dei punti quantici. Regolando la dimensione delle nanoparticelle, i ricercatori possono anche modificarne gli effetti elettrici, ottici e magnetici, nonché le proprietà fisiche come il punto di fusione o il modo in cui influenzano le reazioni chimiche.

In che modo il lavoro di Bawendi ha reso pratici i punti quantici?

Nel 1993, Bawendi e il suo team del Massachusetts Institute of Technology hanno sviluppato un metodo per produrre punti quantici in modo più preciso e con una qualità superiore rispetto a quanto possibile in precedenza. Hanno trovato un modo per far crescere i nanocristalli in un istante iniettando i loro precursori chimici in un solvente estremamente caldo. I ricercatori hanno poi immediatamente fermato la crescita dei cristalli abbassando la temperatura del solvente, creando “semi” cristallini infinitesimali. Riscaldando lentamente la soluzione, potrebbero regolare l’ulteriore crescita dei nanocristalli. Il loro metodo produceva cristalli della dimensione desiderata in modo riproducibile ed era adattabile a diversi sistemi.

Dove vengono utilizzati i punti quantici?

Se hai mai guardato programmi su una TV QLED, hai visto queste nanoparticelle in gioco. Ma vengono utilizzati anche nell'imaging e nell'illuminazione biomedica. I ricercatori stanno ancora esplorando ulteriori applicazioni per queste nanoparticelle nell’informatica e nelle comunicazioni quantistiche, nell’elettronica flessibile, nei sensori, nelle celle solari efficienti e nella catalisi per i combustibili solari.