Nobelprisen hedrer oppfinnerne av 'Quantum Dot' nanopartikler | Quanta Magazine

Se for deg en nanokrystall som er så liten at den oppfører seg som et atom. Moungi G. Bawendi, Louis E. Brus og Alexei I. Ekimov har blitt tildelt Nobelprisen i kjemi i 2023 for å oppdage en kategori av slike små vidundere, nå kjent som kvanteprikker, og for å ha utviklet en presis metode for å syntetisere dem. Kvanteprikker spiller allerede viktige roller innen elektronikk og i biomedisin, for eksempel innen medikamentlevering, bildebehandling og medisinske diagnoser, og har flere lovende anvendelser i fremtiden, sa Nobelkomiteen for kjemi i sin kunngjøring av prisen.

Kvanteprikker, noen ganger kalt kunstige atomer, er presise nanokrystaller laget av silisium og andre halvledermaterialer som er bare noen få nanometer brede - små nok til å vise kvanteegenskaper akkurat som individuelle atomer gjør, selv om de er hundre til noen få tusen atomer store . Fordi elektroner kan fanges ved visse energinivåer i dem, kan nanokrystallene bare sende ut visse bølgelengder av lys. Ved å kontrollere størrelsen på partiklene kan forskerne programmere nøyaktig hvilken farge kvanteprikkene vil blinke når de stimuleres.

På scenen ved kunngjøringen av Nobelprisen i morges, Johan Åqvist, leder av Nobelkomiteen for kjemi, viste en serie på fem flasker, som hver inneholdt væske med en annen farge. Væskene holdt flytende løsninger av kvanteprikker bare noen få milliondeler av en millimeter i størrelse. Ved denne lille størrelsen begynner "kvantemekanikk å spille alle slags triks," sa Åqvist.

Kvantemekanikk forutsier at hvis du tar et elektron og klemmer det inn i et lite rom, blir elektronets bølgefunksjon komprimert, forklart Heiner Linke, medlem av Nobelkomiteen for kjemi og professor i nanofysikk. Jo mindre du gjør rommet, desto større energi har elektronet, noe som betyr at det kan gi mer energi til et foton. I hovedsak bestemmer størrelsen til en kvanteprikk hvilken farge den skinner. De minste partiklene lyser blått, mens de større lyser gult og rødt.

På 1970-tallet visste fysikere at kvantefenomener i teorien burde være assosiert med partikler av ekstremt liten størrelse, akkurat som de var med ultratynne filmer, men den forutsigelsen virket umulig å teste: Det så ut til å ikke være noen god måte å lage og håndtere partikler på bortsett fra inne i andre materialer som vil maskere egenskapene deres. I 1981 ved SI Vavilov State Optical Institute i Sovjetunionen endret imidlertid Ekimov det. Mens han tilsatte forbindelser av kobber og klor til et glass, oppdaget han at fargen på glasset var helt avhengig av størrelsen på de tilsatte partiklene. Han innså raskt at kvanteeffekter var den sannsynlige forklaringen.

I 1983 på Bell Labs kjørte Brus eksperimenter på bruk av lys for å drive kjemiske reaksjoner. Brus (nå ved Columbia University) la merke til at størrelsen på nanopartikler også påvirket deres optiske egenskaper selv når de fløt fritt i en flytende løsning. "Dette utløste mye interesse," sa Linke.

Den potensielle optoelektroniske nytten av slike partikler gikk ikke tapt på teknologer, som fulgte ledelsen av Mark Reed fra Yale University ved å referere til dem som kvanteprikker. Men i det neste tiåret slet forskere med å kontrollere størrelsen og kvaliteten på disse partiklene nøyaktig.

I 1993 oppfant imidlertid Bawendi en "genial kjemisk metode" for å lage perfekte nanopartikler, sa Åqvist. Han var i stand til å kontrollere det nøyaktige tidspunktet da krystallene ble dannet, og han kunne deretter stoppe og starte videre vekst på en kontrollert måte. Oppdagelsen hans gjorde kvanteprikker allment nyttige i en rekke bruksområder.

Bruksområdene for disse nanopartikler spenner fra LED-skjermer og solceller til bildebehandling innen biokjemi og medisin. "Disse prestasjonene representerer en viktig milepæl innen nanoteknologi," sa Åqvist.

Hva er kvanteprikker?

De er menneskeskapte nanopartikler så små at egenskapene deres er styrt av kvantemekanikk. Disse egenskapene inkluderer emisjon av lys: Bølgelengden på lys de sender ut avhenger utelukkende av størrelsen på partiklene. Elektroner i større partikler har mindre energi og sender ut rødt lys, mens elektroner i mindre partikler har mer energi og sender ut blått lys.

Forskere kan nøyaktig bestemme hvilken lysfarge som vil dukke opp fra kvanteprikkene ganske enkelt ved å regulere størrelsen deres. Det gir en stor fordel i forhold til bruken av andre typer fluorescerende molekyler, for hvilke en ny type molekyl er nødvendig for hver distinkte farge.

Denne fordelen med hensyn til kontrollerbarhet er ikke begrenset til fargen på kvanteprikker. Ved å justere størrelsen på nanopartikler, kan forskere også justere deres elektriske, optiske og magnetiske effekter, samt fysiske egenskaper som smeltepunktet eller hvordan de påvirker kjemiske reaksjoner.

Hvordan gjorde Bawendis arbeid kvanteprikker praktiske?

I 1993 utviklet Bawendi og teamet hans ved Massachusetts Institute of Technology en metode for å produsere kvanteprikker mer presist og med høyere kvalitet enn tidligere mulig. De fant en måte å dyrke nanokrystallene på på et øyeblikk ved å injisere deres kjemiske forløpere i et ekstremt varmt løsningsmiddel. Forskerne stoppet deretter umiddelbart veksten av krystallene ved å senke temperaturen på løsningsmidlet, og skape uendelig små krystallinske "frø". Ved sakte å varme opp løsningen, kunne de regulere videre vekst av nanokrystallene. Metoden deres produserte krystaller av ønsket størrelse reproduserbart, og den kunne tilpasses forskjellige systemer.

Hvor brukes kvanteprikker?

Hvis du noen gang har sett programmer på en QLED-TV, har du sett disse nanopartikler i spill. Men de blir også tatt i bruk i biomedisinsk bildebehandling og belysning. Forskere utforsker fortsatt ytterligere bruksområder for disse nanopartikler innen kvantedatabehandling og kommunikasjon, fleksibel elektronikk, sensorer, effektive solceller og katalyse for solbrensel.