Nobelova nagrada za izumitelje nanodelcev 'kvantne pike' | Revija Quanta

Predstavljajte si tako majhen nanokristal, da se obnaša kot atom. Moungi G. Bawendi, Louis E. Brus in Aleksej I. Ekimov so leta 2023 prejeli Nobelovo nagrado za kemijo za odkritje kategorije tako drobnih čudes, ki so zdaj znana kot kvantne pike, in za razvoj natančne metode njihove sinteze. Kvantne pike že igrajo pomembno vlogo v elektroniki in biomedicini, na primer pri dajanju zdravil, slikanju in medicinskih diagnozah, v prihodnosti pa imajo več obetavnih aplikacij, je Nobelov odbor za kemijo dejal v objavi nagrade.

Kvantne pike, včasih imenovane tudi umetni atomi, so natančni nanokristali iz silicija in drugih polprevodniških materialov, ki so široki le nekaj nanometrov – dovolj majhni, da kažejo kvantne lastnosti tako kot posamezni atomi, čeprav so veliki od sto do nekaj tisoč atomov . Ker se elektroni lahko ujamejo na določenih ravneh energije znotraj njih, lahko nanokristali oddajajo le določene valovne dolžine svetlobe. Z nadzorovanjem velikosti delcev lahko raziskovalci natančno programirajo, katere barve bodo kvantne pike utripale ob stimulaciji.

Na odru ob razglasitvi Nobelove nagrade danes zjutraj, Johan Åqvist, predsednik Nobelovega odbora za kemijo, je prikazal serijo petih bučk, od katerih je vsaka vsebovala tekočino, ki se je svetila drugačne barve. Tekočine so vsebovale tekoče raztopine kvantnih pik, velike le nekaj milijonink milimetra. Pri tej majhni velikosti "kvantna mehanika začne igrati vse vrste trikov, " je dejal Åqvist.

Kvantna mehanika napoveduje, da če vzamete elektron in ga stisnete v majhen prostor, se valovna funkcija elektrona stisne, pojasnjuje Heiner Linke, član Nobelovega odbora za kemijo in profesor nanofizike. Manjši kot naredite prostor, večja je energija elektrona, kar pomeni, da lahko da več energije fotonu. V bistvu velikost kvantne pike določa, katere barve sije. Najmanjši delci svetijo modro, večji pa rumeno in rdeče.

Do sedemdesetih let prejšnjega stoletja so fiziki vedeli, da bi morali biti kvantni pojavi v teoriji povezani z delci izredno majhne velikosti, tako kot so bili z ultratankimi filmi, vendar se je zdelo, da je bilo te napovedi nemogoče preveriti: zdelo se je, da ni dobrega načina za izdelavo in ravnanje z delci, razen znotraj drugih materialov, ki bi prikrili njihove lastnosti. Leta 1970 na Državnem optičnem inštitutu SI Vavilov v Sovjetski zvezi pa je Ekimov to spremenil. Med dodajanjem spojin bakra in klora v kozarec je ugotovil, da je barva stekla v celoti odvisna od velikosti teh dodanih delcev. Hitro je spoznal, da so kvantni učinki verjetna razlaga.

Leta 1983 je Brus v Bell Labs izvajal eksperimente o uporabi svetlobe za poganjanje kemičnih reakcij. Brus (zdaj na Univerzi Columbia) je opazil, da velikost nanodelcev vpliva tudi na njihove optične lastnosti, tudi če prosto lebdijo v tekoči raztopini. "To je sprožilo veliko zanimanja," je dejal Linke.

Tehnologi niso izgubili potencialne optoelektronske uporabnosti takšnih delcev, ki so sledili zgledu Mark Reed z univerze Yale, ko jih imenujejo kvantne pike. Toda naslednje desetletje so se raziskovalci trudili natančno nadzorovati velikost in kakovost teh delcev.

Leta 1993 pa je Bawendi izumil "genialno kemično metodo" za izdelavo popolnih nanodelcev, je dejal Åqvist. Bil je sposoben nadzorovati natančen trenutek, ko so kristali nastali, nato pa je lahko nadzorovano ustavil in ponovno zagnal nadaljnjo rast. Njegovo odkritje je naredilo kvantne pike zelo uporabne v različnih aplikacijah.

Aplikacije teh nanodelcev segajo od LED zaslonov in sončnih celic do slikanja v biokemiji in medicini. "Ti dosežki predstavljajo pomemben mejnik v nanotehnologiji," je dejal Åqvist.

Kaj so kvantne pike?

So nanodelci, ki jih je ustvaril človek in so tako majhni, da njihove lastnosti ureja kvantna mehanika. Te lastnosti vključujejo emisijo svetlobe: valovna dolžina svetlobe, ki jo oddajajo, je odvisna izključno od velikosti delcev. Elektroni v večjih delcih imajo manj energije in oddajajo rdečo svetlobo, medtem ko imajo elektroni v manjših delcih več energije in oddajajo modro svetlobo.

Raziskovalci lahko natančno določijo, kakšna barva svetlobe se bo pojavila iz kvantnih pik, preprosto z uravnavanjem njihove velikosti. To ponuja veliko prednost pred uporabo drugih vrst fluorescentnih molekul, za katere je za vsako posebno barvo potrebna nova vrsta molekule.

Ta prednost pri nadzoru ni omejena na barvo kvantnih pik. S prilagoditvijo velikosti nanodelcev lahko raziskovalci prilagodijo tudi njihove električne, optične in magnetne učinke ter fizikalne lastnosti, kot je njihovo tališče ali njihov vpliv na kemične reakcije.

Kako je Bawedijevo delo naredilo kvantne pike praktične?

Leta 1993 sta Bawendi in njegova ekipa na tehnološkem inštitutu v Massachusettsu razvila metodo za natančnejšo in bolj kakovostno proizvodnjo kvantnih pik, kot je bilo mogoče prej. Našli so način za rast nanokristalov v trenutku z vbrizgavanjem njihovih kemičnih predhodnikov v izjemno vroče topilo. Raziskovalci so nato takoj ustavili rast kristalov z znižanjem temperature topila in ustvarili neskončno majhna kristalna "semena". S počasnim ponovnim segrevanjem raztopine bi lahko uravnavali nadaljnjo rast nanokristalov. Njihova metoda je proizvedla kristale želene velikosti ponovljivo in je bila prilagodljiva različnim sistemom.

Kje se uporabljajo kvantne pike?

Če ste kdaj gledali programe na televizorju QLED, ste videli te nanodelce v igri. Vendar se uporabljajo tudi za biomedicinsko slikanje in razsvetljavo. Raziskovalci še vedno raziskujejo dodatne aplikacije teh nanodelcev v kvantnem računalništvu in komunikacijah, prilagodljivi elektroniki, senzorjih, učinkovitih sončnih celicah in katalizi za sončna goriva.