Nobelprijs eert uitvinders van 'Quantum Dot'-nanodeeltjes | Quanta-tijdschrift

Stel je een nanokristal voor dat zo minuscuul is dat het zich als een atoom gedraagt. Moungi G. Bawendi, Louis E. Brus en Alexei I. Ekimov hebben de Nobelprijs voor de Scheikunde 2023 gekregen voor het ontdekken van een categorie van zulke kleine wonderen, nu bekend als kwantumdots, en voor het ontwikkelen van een nauwkeurige methode om ze te synthetiseren. Kwantumdots spelen nu al een belangrijke rol in de elektronica en de biogeneeskunde, zoals bij de toediening van medicijnen, beeldvorming en medische diagnoses, en hebben in de toekomst meer veelbelovende toepassingen, aldus het Nobelcomité voor Scheikunde in de bekendmaking van de prijs.

Kwantumdots, ook wel kunstmatige atomen genoemd, zijn precieze nanokristallen gemaakt van silicium en andere halfgeleidermaterialen die slechts een paar nanometer breed zijn – klein genoeg om kwantumeigenschappen te vertonen, net zoals individuele atomen dat doen, ook al zijn ze honderd tot een paar duizend atomen groot . Omdat elektronen daarin op bepaalde energieniveaus kunnen worden opgesloten, kunnen de nanokristallen alleen bepaalde golflengten licht uitzenden. Door de grootte van de deeltjes te regelen, kunnen onderzoekers precies programmeren welke kleur de kwantumdots zullen flitsen wanneer ze worden gestimuleerd.

Op het podium bij de aankondiging van de Nobelprijs vanmorgen: Johan Åqvist, voorzitter van het Nobelcomité voor de Scheikunde, toonde een reeks van vijf kolven, die elk een vloeistof bevatten die in een andere kleur gloeide. De vloeistoffen bevatten vloeibare oplossingen van kwantumdots die slechts een paar miljoenste millimeter groot waren. Op dit kleine formaat “begint de kwantummechanica allerlei trucjes uit te halen”, zei Åqvist.

De kwantummechanica voorspelt dat als je een elektron in een kleine ruimte perst, de golffunctie van het elektron wordt gecomprimeerd, uitgelegd Heiner Linke, lid van het Nobelcomité voor Scheikunde en hoogleraar nanofysica. Hoe kleiner je de ruimte maakt, hoe groter de energie van het elektron, wat betekent dat het meer energie aan een foton kan geven. In wezen bepaalt de grootte van een kwantumdot welke kleur hij schijnt. De kleinste deeltjes schijnen blauw, terwijl de grotere deeltjes geel en rood schijnen.

In de jaren zeventig wisten natuurkundigen dat kwantumfenomenen in theorie geassocieerd zouden moeten worden met deeltjes van extreem kleine omvang, net zoals ze dat deden met ultradunne films, maar die voorspelling leek onmogelijk te testen: er leek geen goede manier te zijn om deeltjes te maken en te hanteren, behalve in andere materialen die hun eigenschappen zouden maskeren. In 1970 bracht Ekimov daar echter verandering in bij het SI Vavilov State Optical Institute in de Sovjet-Unie. Terwijl hij verbindingen van koper en chloor aan een glas toevoegde, ontdekte hij dat de kleur van het glas volledig afhing van de grootte van die toegevoegde deeltjes. Hij besefte al snel dat kwantumeffecten de waarschijnlijke verklaring waren.

In 1983 voerde Brus bij Bell Labs experimenten uit met het gebruik van licht om chemische reacties aan te sturen. Brus (nu aan de Columbia University) merkte op dat de grootte van nanodeeltjes ook hun optische eigenschappen beïnvloedde, zelfs als ze vrij in een vloeibare oplossing zweefden. “Dit wekte veel belangstelling”, zei Linke.

De potentiële opto-elektronische bruikbaarheid van dergelijke deeltjes ging niet verloren voor technologen, die het voorbeeld volgden Mark Reed van Yale University door ze kwantumdots te noemen. Maar de daaropvolgende tien jaar hadden onderzoekers moeite om de grootte en kwaliteit van deze deeltjes nauwkeurig te controleren.

In 1993 vond Bawendi echter een ‘ingenieuze chemische methode’ uit om perfecte nanodeeltjes te maken, zei Åqvist. Hij kon het exacte moment bepalen waarop de kristallen zich vormden, en kon vervolgens de verdere groei op een gecontroleerde manier stoppen en opnieuw starten. Zijn ontdekking maakte kwantumdots breed bruikbaar in een verscheidenheid aan toepassingen.

De toepassingen voor deze nanodeeltjes variëren van LED-displays en zonnecellen tot beeldvorming in de biochemie en geneeskunde. “Deze prestaties vertegenwoordigen een belangrijke mijlpaal in de nanotechnologie”, aldus Åqvist.

Wat zijn kwantumdots?

Het zijn door de mens gemaakte nanodeeltjes die zo klein zijn dat hun eigenschappen worden bepaald door de kwantummechanica. Die eigenschappen omvatten de emissie van licht: de golflengte van het licht dat ze uitzenden hangt uitsluitend af van de grootte van de deeltjes. Elektronen in grotere deeltjes hebben minder energie en zenden rood licht uit, terwijl elektronen in kleinere deeltjes meer energie hebben en blauw licht uitstralen.

Onderzoekers kunnen precies bepalen welke kleur licht uit de kwantumdots zal voortkomen, simpelweg door hun grootte te regelen. Dat biedt een groot voordeel ten opzichte van het gebruik van andere soorten fluorescerende moleculen, waarvoor voor elke afzonderlijke kleur een nieuw type molecuul nodig is.

Dit voordeel op het gebied van bestuurbaarheid is niet beperkt tot de kleur van kwantumdots. Door de grootte van de nanodeeltjes aan te passen, kunnen onderzoekers ook hun elektrische, optische en magnetische effecten aanpassen, evenals fysieke eigenschappen zoals hun smeltpunt of hoe ze chemische reacties beïnvloeden.

Hoe maakte Bawendi's werk kwantumstippen praktisch?

In 1993 ontwikkelden Bawendi en zijn team van het Massachusetts Institute of Technology een methode om kwantumdots nauwkeuriger en met hogere kwaliteit te produceren dan voorheen mogelijk was. Ze vonden een manier om de nanokristallen in een mum van tijd te laten groeien door hun chemische voorlopers in een extreem heet oplosmiddel te injecteren. De onderzoekers stopten vervolgens onmiddellijk de groei van de kristallen door de temperatuur van het oplosmiddel te verlagen, waardoor oneindig kleine kristallijne ‘zaadjes’ ontstonden. Door de oplossing langzaam opnieuw te verwarmen, konden ze de verdere groei van de nanokristallen reguleren. Hun methode produceerde reproduceerbaar kristallen van de gewenste grootte, en deze was aanpasbaar aan verschillende systemen.

Waar worden kwantumdots gebruikt?

Als je ooit programma's op een QLED TV hebt bekeken, heb je deze nanodeeltjes in het spel gezien. Maar ze worden ook gebruikt in biomedische beeldvorming en verlichting. Onderzoekers onderzoeken nog steeds aanvullende toepassingen voor deze nanodeeltjes in kwantumcomputers en communicatie, flexibele elektronica, sensoren, efficiënte zonnecellen en katalyse voor zonnebrandstoffen.