Nobelpriset hedrar uppfinnare av "Quantum Dot" nanopartiklar | Quanta Magazine

Föreställ dig en nanokristall så liten att den beter sig som en atom. Moungi G. Bawendi, Louis E. Brus och Alexei I. Ekimov har tilldelats 2023 års Nobelpris i kemi för att ha upptäckt en kategori av sådana små underverk, nu kända som kvantprickar, och för att ha utvecklat en exakt metod för att syntetisera dem. Kvantprickar spelar redan viktiga roller inom elektronik och inom biomedicin, såsom läkemedelsleverans, bildbehandling och medicinska diagnoser, och har fler lovande tillämpningar i framtiden, sade Nobelkommittén för kemi i sitt tillkännagivande av priset.

Kvantprickar, ibland kallade konstgjorda atomer, är exakta nanokristaller gjorda av kisel och andra halvledarmaterial som är bara några nanometer breda - tillräckligt små för att uppvisa kvantegenskaper precis som enskilda atomer gör, även om de är hundra till några tusen atomer stora . Eftersom elektroner kan fångas vid vissa energinivåer inom dem, kan nanokristallerna bara avge vissa våglängder av ljus. Genom att kontrollera storleken på partiklarna kan forskare programmera exakt vilken färg kvantprickarna kommer att blinka när de stimuleras.

På scenen vid tillkännagivandet av Nobelpriset i morse, Johan Åqvist, ordförande för Nobelkommittén för kemi, visade upp en serie om fem flaskor, som var och en innehöll vätska med olika färger. Vätskorna höll flytande lösningar av kvantprickar bara några miljondelar av en millimeter i storlek. I denna lilla storlek börjar "kvantmekaniken spela alla möjliga trick", sa Åqvist.

Kvantmekaniken förutspår att om du tar en elektron och klämmer in den i ett litet utrymme, kommer elektronens vågfunktion att komprimeras, förklaras Heiner Linke, medlem av Nobelkommittén för kemi och professor i nanofysik. Ju mindre du gör utrymmet, desto större energi har elektronen, vilket betyder att den kan ge mer energi till en foton. I huvudsak avgör en kvantpunkts storlek vilken färg den lyser. De minsta partiklarna lyser blått, medan de större lyser gult och rött.

På 1970-talet visste fysiker att kvantfenomen i teorin borde förknippas med partiklar av extremt liten storlek, precis som de var med ultratunna filmer, men den förutsägelsen verkade omöjlig att testa: det verkade inte finnas något bra sätt att tillverka och hantera partiklar förutom inuti andra material som skulle dölja deras egenskaper. 1981 vid SI Vavilov State Optical Institute i Sovjetunionen ändrade Ekimov det. När han tillsatte föreningar av koppar och klor till ett glas upptäckte han att färgen på glaset helt berodde på storleken på de tillsatta partiklarna. Han insåg snabbt att kvanteffekter var den troliga förklaringen.

År 1983 på Bell Labs drev Brus experiment med användning av ljus för att driva kemiska reaktioner. Brus (nu vid Columbia University) märkte att storleken på nanopartiklar också påverkade deras optiska egenskaper även när de svävade fritt i en flytande lösning. "Detta väckte ett stort intresse," sa Linke.

Den potentiella optoelektroniska nyttan av sådana partiklar gick inte förlorad på teknologer, som följde ledningen för Mark Reed från Yale University genom att hänvisa till dem som kvantprickar. Men under det kommande decenniet kämpade forskare för att exakt kontrollera storleken och kvaliteten på dessa partiklar.

Men 1993 uppfann Bawendi en "genialisk kemisk metod" för att göra perfekta nanopartiklar, sa Åqvist. Han kunde kontrollera det exakta ögonblicket i tiden när kristallerna bildades, och han kunde sedan stoppa och återuppta ytterligare tillväxt på ett kontrollerat sätt. Hans upptäckt gjorde kvantprickar användbara i en mängd olika tillämpningar.

Applikationerna för dessa nanopartiklar sträcker sig från LED-skärmar och solceller till avbildning inom biokemi och medicin. "Dessa prestationer representerar en viktig milstolpe inom nanoteknik", sa Åqvist.

Vad är kvantprickar?

De är mänskliga gjorda nanopartiklar så små att deras egenskaper styrs av kvantmekanik. Dessa egenskaper inkluderar emission av ljus: Våglängden på ljus de sänder ut beror enbart på storleken på partiklarna. Elektroner i större partiklar har mindre energi och avger rött ljus, medan elektroner i mindre partiklar har mer energi och avger blått ljus.

Forskare kan exakt bestämma vilken färg på ljus som kommer fram från kvantprickarna genom att helt enkelt reglera deras storlek. Det ger en enorm fördel jämfört med användningen av andra typer av fluorescerande molekyler, för vilka en ny typ av molekyl behövs för varje distinkt färg.

Denna fördel i styrbarhet är inte begränsad till färgen på kvantprickar. Genom att justera storleken på nanopartiklarna kan forskare också justera deras elektriska, optiska och magnetiska effekter, såväl som fysikaliska egenskaper som deras smältpunkt eller hur de påverkar kemiska reaktioner.

Hur gjorde Bawendis arbete kvantprickar praktiska?

1993 utvecklade Bawendi och hans team vid Massachusetts Institute of Technology en metod för att producera kvantprickar mer exakt och med högre kvalitet än vad som tidigare varit möjligt. De hittade ett sätt att odla nanokristallerna på ett ögonblick genom att injicera deras kemiska prekursorer i ett extremt varmt lösningsmedel. Forskarna stoppade sedan omedelbart tillväxten av kristallerna genom att sänka temperaturen på lösningsmedlet, vilket skapade oändligt små kristallina "frön". Genom att långsamt återuppvärma lösningen kunde de reglera ytterligare tillväxt av nanokristallerna. Deras metod producerade kristaller av önskad storlek reproducerbart, och den var anpassningsbar till olika system.

Var används kvantprickar?

Om du någonsin har sett program på en QLED-TV, har du sett dessa nanopartiklar spela. Men de kommer också att användas i biomedicinsk bildbehandling och belysning. Forskare undersöker fortfarande ytterligare tillämpningar för dessa nanopartiklar inom kvantberäkning och kommunikation, flexibel elektronik, sensorer, effektiva solceller och katalys för solbränslen.