Nagroda Nobla dla wynalazców nanocząstek „kropek kwantowych” | Magazyn Quanta

Wyobraź sobie nanokryształ tak maleńki, że zachowuje się jak atom. Moungi G. Bawendi, Louisa E. Brusa i Aleksiej I. Ekimow otrzymali Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii 2023 za odkrycie kategorii takich drobnych cudów, obecnie znanych jako kropki kwantowe, oraz za opracowanie precyzyjnej metody ich syntezy. Kropki kwantowe odgrywają już ważną rolę w elektronice i biomedycynie, np. w dostarczaniu leków, obrazowaniu i diagnostyce medycznej, a w przyszłości będą miały bardziej obiecujące zastosowania, stwierdził Komitet Noblowski ds. Chemii w ogłoszeniu nagrody.

Kropki kwantowe, czasami nazywane sztucznymi atomami, to precyzyjne nanokryształy wykonane z krzemu i innych materiałów półprzewodnikowych o szerokości zaledwie kilku nanometrów — wystarczająco małe, aby wykazywać właściwości kwantowe takie same jak pojedyncze atomy, chociaż ich wielkość wynosi od stu do kilku tysięcy atomów . Ponieważ elektrony mogą być uwięzione w nich na określonych poziomach energii, nanokryształy mogą emitować światło tylko o określonych długościach fal. Kontrolując wielkość cząstek, badacze mogą dokładnie zaprogramować, w jakim kolorze będą migać kropki kwantowe po pobudzeniu.

Dziś rano na scenie podczas ogłoszenia Nagrody Nobla Johana Aqvista, przewodniczący Komitetu Nobla w dziedzinie chemii, pokazał serię pięciu kolb, z których każda zawierała ciecz świecącą innym kolorem. Płyny zawierały ciekłe roztwory kropek kwantowych o wielkości zaledwie kilku milionowych milimetra. Przy tak niewielkich rozmiarach „mechanika kwantowa zaczyna płatać różne figle” – powiedział Åqvist.

Mechanika kwantowa przewiduje, że jeśli weźmiemy elektron i wciśniemy go na małą przestrzeń, funkcja falowa elektronu zostanie skompresowana – wyjaśnia Heinera Linke, członek Komitetu Nobla w dziedzinie chemii i profesor nanofizyki. Im mniejsza przestrzeń, tym większa energia elektronu, co oznacza, że ​​może on dać więcej energii fotonowi. Krótko mówiąc, rozmiar kropki kwantowej określa, jaki kolor ona świeci. Najmniejsze cząsteczki świecą na niebiesko, podczas gdy większe świecą na żółto i czerwono.

W latach siedemdziesiątych fizycy wiedzieli, że zjawiska kwantowe powinny w teorii być kojarzone z cząstkami o niezwykle małych rozmiarach, tak jak było to z ultracienkimi warstwami, ale przewidywanie to wydawało się niemożliwe do sprawdzenia: wydawało się, że nie ma dobrego sposobu wytwarzania cząstek i postępowania z nimi z wyjątkiem wewnątrz innych materiałów, co maskowałoby ich właściwości. Jednak w 1970 roku w Państwowym Instytucie Optycznym SI Wawiłowa w Związku Radzieckim Ekimow to zmienił. Dodając do szkła związki miedzi i chloru, odkrył, że kolor szkła zależy całkowicie od wielkości dodanych cząstek. Szybko zorientował się, że prawdopodobnym wyjaśnieniem są efekty kwantowe.

W 1983 roku w Bell Labs Brus prowadził eksperymenty dotyczące wykorzystania światła do wywoływania reakcji chemicznych. Brus (obecnie na Uniwersytecie Columbia) zauważył, że rozmiar nanocząstek wpływa również na ich właściwości optyczne, nawet gdy swobodnie unoszą się w ciekłym roztworze. „To wywołało duże zainteresowanie” – powiedział Linke.

Potencjalna użyteczność optoelektroniczna takich cząstek nie została utracona przez technologów, którzy poszli w ich ślady Mark Reed Uniwersytetu Yale, nazywając je kropkami kwantowymi. Jednak przez następną dekadę badacze mieli trudności z precyzyjną kontrolą rozmiaru i jakości tych cząstek.

Jednak w 1993 roku Bawendi wynalazł „genialną metodę chemiczną” wytwarzania doskonałych nanocząstek, powiedział Åqvist. Był w stanie kontrolować dokładny moment powstania kryształów, a następnie był w stanie w kontrolowany sposób zatrzymać i wznowić dalszy wzrost. Jego odkrycie sprawiło, że kropki kwantowe stały się szeroko przydatne w różnych zastosowaniach.

Zastosowania tych nanocząstek obejmują wyświetlacze LED i ogniwa słoneczne po obrazowanie w biochemii i medycynie. „Te osiągnięcia stanowią ważny kamień milowy w nanotechnologii” – powiedział Åqvist.

Czym są kropki kwantowe?

Są to wytworzone przez człowieka nanocząsteczki tak małe, że ich właściwościami reguluje mechanika kwantowa. Właściwości te obejmują emisję światła: długość fali emitowanego przez nie światła zależy wyłącznie od wielkości cząstek. Elektrony w większych cząstkach mają mniej energii i emitują światło czerwone, podczas gdy elektrony w mniejszych cząstkach mają więcej energii i emitują światło niebieskie.

Naukowcy mogą precyzyjnie określić, jaki kolor światła wyłoni się z kropek kwantowych, po prostu regulując ich rozmiar. Daje to ogromną przewagę nad innymi rodzajami cząsteczek fluorescencyjnych, w przypadku których dla każdego odrębnego koloru potrzebny jest nowy typ cząsteczki.

Ta zaleta w zakresie sterowalności nie ogranicza się do koloru kropek kwantowych. Dostosowując rozmiar nanocząstek, badacze mogą również dostosować ich efekty elektryczne, optyczne i magnetyczne, a także właściwości fizyczne, takie jak temperatura topnienia lub wpływ na reakcje chemiczne.

W jaki sposób prace Bawendiego sprawiły, że kropki kwantowe stały się praktyczne?

W 1993 roku Bawendi i jego zespół z Massachusetts Institute of Technology opracowali metodę wytwarzania kropek kwantowych z większą precyzją i jakością niż było to wcześniej możliwe. Znaleźli sposób na błyskawiczną hodowlę nanokryształów poprzez wstrzyknięcie ich chemicznych prekursorów do niezwykle gorącego rozpuszczalnika. Następnie badacze natychmiast zatrzymali wzrost kryształów, obniżając temperaturę rozpuszczalnika, tworząc nieskończenie małe „nasiona” krystalizacji. Powolne podgrzewanie roztworu umożliwiłoby regulację dalszego wzrostu nanokryształów. Ich metoda pozwoliła uzyskać kryształy o pożądanej wielkości w powtarzalny sposób i można ją było dostosować do różnych systemów.

Gdzie wykorzystuje się kropki kwantowe?

Jeśli kiedykolwiek oglądałeś programy na telewizorze QLED, widziałeś grę tych nanocząsteczek. Ale wykorzystuje się je także w obrazowaniu biomedycznym i oświetleniu. Naukowcy wciąż badają dodatkowe zastosowania tych nanocząstek w informatyce kwantowej i komunikacji, elastycznej elektronice, czujnikach, wydajnych ogniwach słonecznych i katalizie paliw słonecznych.