פרס נובל מעניק כבוד לממציאים של ננו-חלקיקים 'קוואנטום דוט' | מגזין קוונטה

דמיינו ננו-גביש כל כך זעיר שהוא מתנהג כמו אטום. מוני ג'י בוונדי, לואיס אי ברוס ו אלכסיי אי אקימוב זכו בפרס נובל לכימיה לשנת 2023 על גילוי קטגוריה של פלאים זעירים כאלה, המכונה כיום נקודות קוונטיות, ועל פיתוח שיטה מדויקת לסינתזה שלהן. נקודות קוונטיות כבר ממלאות תפקידים חשובים באלקטרוניקה ובביו-רפואה, כגון במתן תרופות, הדמיה ואבחונים רפואיים, ויש להן יישומים מבטיחים יותר בעתיד, כך אמרה ועדת נובל לכימיה בהודעתה על הפרס.

נקודות קוונטיות, הנקראות לפעמים אטומים מלאכותיים, הן ננו-גבישים מדויקים העשויים מסיליקון וחומרים מוליכים למחצה אחרים ברוחב של כמה ננומטרים בלבד - קטנים מספיק כדי להציג תכונות קוונטיות בדיוק כמו אטומים בודדים, למרות שהם בגודל של מאה עד כמה אלפי אטומים. . מכיוון שניתן לכוד אלקטרונים ברמות אנרגיה מסוימות בתוכם, הננו-גבישים יכולים לפלוט רק אורכי גל מסוימים של אור. על ידי שליטה בגודל החלקיקים, החוקרים יכולים לתכנת במדויק איזה צבע יהבהבו הנקודות הקוונטיות בעת גירוי.

על הבמה בהכרזה על פרס נובל הבוקר, יוהאן אוקוויסט, יו"ר ועדת נובל לכימיה, הציג סדרה של חמישה צלוחיות, שכל אחת מהן מכילה נוזל זוהר בצבע שונה. הנוזלים החזיקו תמיסות נוזליות של נקודות קוונטיות בגודל של מיליוניות בודדות של מילימטר בלבד. בגודל הזעיר הזה, "מכניקת הקוונטים מתחילה לשחק כל מיני טריקים", אמר אוקוויסט.

מכניקת הקוונטים חוזה שאם לוקחים אלקטרון וסוחטים אותו לחלל קטן, פונקציית הגל של האלקטרון נדחסת, הסביר היינר לינקה, חבר בוועדת נובל לכימיה ופרופסור לננופיזיקה. ככל שהחלל קטן יותר, האנרגיה של האלקטרון גדולה יותר, מה שאומר שהוא יכול לתת יותר אנרגיה לפוטון. למעשה, גודל הנקודה הקוונטית קובע באיזה צבע היא זורחת. החלקיקים הקטנים ביותר זוהרים בכחול, בעוד שהגדולים יותר זוהרים בצהוב ואדום.

בשנות ה-1970, הפיזיקאים ידעו שתופעות קוונטיות צריכות להיות קשורות בתיאוריה לחלקיקים בגודל קטן במיוחד, בדיוק כפי שהיו עם סרטים אולטרה-דקים, אבל התחזית הזו נראתה בלתי אפשרית לבדיקה: נראה שאין דרך טובה ליצור ולטפל בחלקיקים מלבד בתוך חומרים אחרים שיסתירו את תכונותיהם. עם זאת, בשנת 1981 במכון האופטי הממלכתי SI Vavilov בברית המועצות, אקימוב שינה זאת. תוך כדי הוספת תרכובות של נחושת וכלור לכוס, הוא גילה שצבע הזכוכית תלוי לחלוטין בגודלם של אותם חלקיקים שנוספו. הוא זיהה במהירות שהשפעות קוונטיות הן ההסבר הסביר.

ב-1983 ב-Bell Labs, ברוס ערך ניסויים על השימוש באור כדי להניע תגובות כימיות. ברוס (כיום באוניברסיטת קולומביה) שם לב שגודל הננו-חלקיקים משפיע גם על התכונות האופטיות שלהם אפילו כשהם צפים בחופשיות בתמיסה נוזלית. "זה עורר עניין רב", אמר לינק.

התועלת האופטו-אלקטרונית הפוטנציאלית של חלקיקים כאלה לא אבדה על ידי טכנולוגים, שהלכו בעקבותיהם של מארק ריד מאוניברסיטת ייל בהתייחסו אליהם כנקודות קוונטיות. אבל במשך העשור הבא, החוקרים נאבקו לשלוט במדויק על גודלם ואיכותם של החלקיקים הללו.

אולם ב-1993 המציא בוונדי "שיטה כימית גאונית" לייצור ננו-חלקיקים מושלמים, אמר אוקוויסט. הוא היה מסוגל לשלוט ברגע המדויק בזמן שבו נוצרו הגבישים, ואז הוא היה מסוגל לעצור ולהתחיל מחדש צמיחה נוספת בצורה מבוקרת. התגלית שלו הפכה את הנקודות הקוונטיות לשימושיות נרחבות במגוון יישומים.

היישומים של ננו-חלקיקים אלה נעים מצגי LED ותאים סולאריים ועד להדמיה בביוכימיה וברפואה. "הישגים אלה מייצגים אבן דרך חשובה בננוטכנולוגיה", אמר Åqvist.

מהן נקודות קוונטיות?

הם ננו-חלקיקים מעשה ידי אדם כל כך קטנים עד שתכונותיהם נשלטות על ידי מכניקת הקוונטים. תכונות אלה כוללות פליטת אור: אורך הגל של האור שהם פולטים תלוי אך ורק בגודל החלקיקים. לאלקטרונים בחלקיקים גדולים יותר יש פחות אנרגיה והם פולטים אור אדום, ואילו לאלקטרונים בחלקיקים קטנים יותר יש יותר אנרגיה ופולטים אור כחול.

חוקרים יכולים לקבוע במדויק איזה צבע אור יופיע מהנקודות הקוונטיות פשוט על ידי ויסות גודלן. זה מציע יתרון עצום על פני השימוש בסוגים אחרים של מולקולות פלואורסצנטיות, שעבורן יש צורך בסוג חדש של מולקולה עבור כל צבע מובחן.

יתרון זה בשליטה אינו מוגבל לצבע של נקודות קוונטיות. על ידי התאמת גודל הננו-חלקיקים, החוקרים יכולים גם להתאים את ההשפעות החשמליות, האופטיות והמגנטיות שלהם, כמו גם תכונות פיזיקליות כמו נקודת ההיתוך שלהם או איך הם משפיעים על תגובות כימיות.

כיצד הפכה עבודתו של בוונדי לנקודות קוונטיות למעשיות?

בשנת 1993, פיתחו בוונדי וצוותו במכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס שיטה לייצור נקודות קוונטיות בצורה מדויקת יותר ובאיכות גבוהה יותר ממה שניתן היה בעבר. הם מצאו דרך לגדל את הננו-גבישים ברגע על ידי הזרקת המבשרים הכימיים שלהם לממס חם במיוחד. החוקרים עצרו מיד את צמיחת הגבישים על ידי הורדת הטמפרטורה של הממס, ויצרו "זרעים" גבישיים אינסופיים. על ידי חימום איטי של התמיסה, הם יכולים לווסת צמיחה נוספת של הננו-גבישים. השיטה שלהם הפיקה גבישים בגודל רצוי לשחזור, והיא ניתנת להתאמה למערכות שונות.

היכן משתמשים בנקודות קוונטיות?

אם אי פעם צפית בתוכניות בטלוויזיית QLED, ראית את הננו-חלקיקים האלה במשחק. אבל הם נמצאים גם לשימוש בהדמיה ותאורה ביו-רפואית. חוקרים עדיין בוחנים יישומים נוספים לננו-חלקיקים אלה במחשוב קוונטי ותקשורת, אלקטרוניקה גמישה, חיישנים, תאים סולאריים יעילים וקטליזה לדלק סולארי.