Premiul Nobel îi onorează pe inventatorii nanoparticulelor „puncte cuantice” | Revista Quanta

Imaginați-vă un nanocristal atât de minuscul încât se comportă ca un atom. Moungi G. Bawendi, Louis E. Brus și Alexei I. Ekimov au fost distinși cu Premiul Nobel pentru Chimie în 2023 pentru că au descoperit o categorie de astfel de minuni, cunoscute acum sub numele de puncte cuantice, și pentru că au dezvoltat o metodă precisă de sinteză a acestora. Punctele cuantice joacă deja roluri importante în electronică și biomedicină, cum ar fi administrarea de medicamente, imagistică și diagnostice medicale, și au aplicații mai promițătoare în viitor, a declarat Comitetul Nobel pentru Chimie în anunțul său privind premiul.

Punctele cuantice, uneori numite atomi artificiali, sunt nanocristale precise din siliciu și alte materiale semiconductoare care au doar câțiva nanometri lățime - suficient de mici pentru a prezenta proprietăți cuantice la fel ca atomii individuali, deși au dimensiunea de la o sută la câteva mii de atomi. . Deoarece electronii pot fi prinși la anumite niveluri de energie în interiorul lor, nanocristalele pot emite doar anumite lungimi de undă de lumină. Controlând dimensiunea particulelor, cercetătorii pot programa cu exactitate ce culoare vor clipi punctele cuantice atunci când sunt stimulate.

Pe scena la anunțarea Premiului Nobel în această dimineață, Johan Åqvist, președintele Comitetului Nobel pentru Chimie, a afișat o serie de cinci baloane, fiecare conținând lichid strălucitor de o culoare diferită. Fluidele țineau soluții lichide de puncte cuantice de doar câteva milionatimi de milimetru. La această dimensiune mică, „mecanica cuantică începe să joace tot felul de trucuri”, a spus Åqvist.

Mecanica cuantică prezice că, dacă luați un electron și îl strângeți într-un spațiu mic, funcția de undă a electronului este comprimată, a explicat. Heiner Linke, membru al Comitetului Nobel pentru Chimie și profesor de nanofizică. Cu cât spațiul este mai mic, cu atât energia electronului este mai mare, ceea ce înseamnă că poate da mai multă energie unui foton. În esență, dimensiunea unui punct cuantic determină ce culoare strălucește. Cele mai mici particule strălucesc în albastru, în timp ce cele mai mari strălucesc galben și roșu.

În anii 1970, fizicienii știau că fenomenele cuantice ar trebui, în teorie, să fie asociate cu particule de dimensiuni extrem de mici, la fel cum erau cu peliculele ultrasubțiri, dar această predicție părea imposibil de testat: părea să nu existe o modalitate bună de a produce și de a manipula particule, cu excepția în interiorul altor materiale care le-ar masca proprietăţile. În 1981, la Institutul de Optică de Stat SI Vavilov din Uniunea Sovietică, totuși, Ekimov a schimbat asta. În timp ce adăuga compuși de cupru și clor într-un pahar, el a descoperit că culoarea sticlei depindea în întregime de dimensiunea acelor particule adăugate. El a recunoscut rapid că efectele cuantice erau explicația probabilă.

În 1983, la Bell Labs, Brus desfășura experimente privind utilizarea luminii pentru a conduce reacții chimice. Brus (acum la Universitatea Columbia) a observat că dimensiunea nanoparticulelor le-a afectat și proprietățile optice chiar și atunci când pluteau liber într-o soluție lichidă. „Acest lucru a declanșat mult interes”, a spus Linke.

Utilitatea optoelectronică potențială a unor astfel de particule nu a fost pierdută de tehnologi, care au urmat exemplul Mark Reed de la Universitatea Yale, referindu-se la ele ca puncte cuantice. Dar pentru următorul deceniu, cercetătorii s-au luptat să controleze cu precizie dimensiunea și calitatea acestor particule.

În 1993, însă, Bawendi a inventat o „metodă chimică ingenioasă” pentru a face nanoparticule perfecte, a spus Åqvist. El a reușit să controleze momentul exact în timp în care s-au format cristalele și apoi a putut să se oprească și să repornească creșterea ulterioară într-un mod controlat. Descoperirea sa a făcut ca punctele cuantice să fie foarte utile într-o varietate de aplicații.

Aplicațiile pentru aceste nanoparticule variază de la afișaje LED și celule solare până la imagistica în biochimie și medicină. „Aceste realizări reprezintă o piatră de hotar importantă în nanotehnologie”, a spus Åqvist.

Ce sunt punctele cuantice?

Sunt nanoparticule create de om atât de mici încât proprietățile lor sunt guvernate de mecanica cuantică. Aceste proprietăți includ emisia de lumină: lungimea de undă a luminii pe care o emit depinde numai de dimensiunea particulelor. Electronii din particulele mai mari au mai puțină energie și emit lumină roșie, în timp ce electronii din particulele mai mici au mai multă energie și emit lumină albastră.

Cercetătorii pot determina cu precizie ce culoare a luminii va apărea din punctele cuantice pur și simplu prin reglarea dimensiunii acestora. Acest lucru oferă un avantaj imens față de utilizarea altor tipuri de molecule fluorescente, pentru care este necesar un nou tip de moleculă pentru fiecare culoare distinctă.

Acest avantaj în controlabilitate nu se limitează la culoarea punctelor cuantice. Prin ajustarea dimensiunii nanoparticulelor, cercetătorii le pot ajusta, de asemenea, efectele electrice, optice și magnetice, precum și proprietățile fizice, cum ar fi punctul lor de topire sau modul în care influențează reacțiile chimice.

Cum a făcut munca lui Bawendi punctele cuantice practice?

În 1993, Bawendi și echipa sa de la Institutul de Tehnologie din Massachusetts au dezvoltat o metodă pentru a produce puncte cuantice mai precis și cu o calitate mai mare decât era posibil anterior. Ei au găsit o modalitate de a crește nanocristalele într-o clipă prin injectarea precursorilor lor chimici într-un solvent extrem de fierbinte. Apoi, cercetătorii au oprit imediat creșterea cristalelor prin scăderea temperaturii solventului, creând „semințe” cristaline infinitezimale. Prin reîncălzirea lent a soluției, acestea ar putea regla creșterea în continuare a nanocristalelor. Metoda lor a produs cristale de dimensiunea dorită reproductibil și a fost adaptabilă la diferite sisteme.

Unde sunt folosite punctele cuantice?

Dacă ați vizionat vreodată programe pe un televizor QLED, ați văzut aceste nanoparticule în joc. Dar ele sunt folosite și în imagistica și iluminatul biomedical. Cercetătorii încă explorează aplicații suplimentare pentru aceste nanoparticule în calculul cuantic și comunicații, electronice flexibile, senzori, celule solare eficiente și cataliză pentru combustibili solari.