รางวัลโนเบลยกย่องผู้ประดิษฐ์อนุภาคนาโน 'ควอนตัมดอท' | นิตยสารควอนต้า

ลองนึกภาพนาโนคริสตัลที่มีขนาดเล็กมากจนมีพฤติกรรมเหมือนอะตอม มูนกี จี. บาเวนดี, หลุยส์ อี. บรูส และ อเล็กเซย์ อี. เอคิมอฟ ได้รับรางวัลโนเบลสาขาเคมีประจำปี 2023 จากการค้นพบประเภทของสิ่งมหัศจรรย์เล็กๆ น้อยๆ ดังกล่าว ซึ่งปัจจุบันรู้จักกันในชื่อควอนตัมดอท และสำหรับการพัฒนาวิธีการสังเคราะห์ที่แม่นยำ ควอนตัมดอทกำลังมีบทบาทสำคัญในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์และชีวการแพทย์ เช่น การส่งยา การสร้างภาพ และการวินิจฉัยทางการแพทย์ และยังมีแนวโน้มการใช้งานที่มีแนวโน้มมากขึ้นในอนาคต คณะกรรมการโนเบลสาขาเคมีกล่าวในการประกาศรางวัล

จุดควอนตัม ซึ่งบางครั้งเรียกว่าอะตอมเทียม เป็นผลึกนาโนที่แม่นยำซึ่งทำจากซิลิคอนและวัสดุเซมิคอนดักเตอร์อื่นๆ ที่มีความกว้างเพียงไม่กี่นาโนเมตร ซึ่งเล็กพอที่จะแสดงคุณสมบัติควอนตัมได้เช่นเดียวกับอะตอมแต่ละตัว แม้ว่าจะมีขนาดตั้งแต่หนึ่งร้อยถึงสองสามพันอะตอมก็ตาม . เนื่องจากอิเล็กตรอนสามารถติดอยู่ที่ระดับพลังงานภายในตัวนาโนคริสตัลจึงสามารถเปล่งแสงได้เพียงความยาวคลื่นบางช่วงเท่านั้น ด้วยการควบคุมขนาดของอนุภาค นักวิจัยสามารถตั้งโปรแกรมได้อย่างแม่นยำว่าจุดควอนตัมจะกะพริบเมื่อถูกกระตุ้นสีอะไร

บนเวทีประกาศรางวัลโนเบลเมื่อเช้านี้ โยฮัน อัควิสท์ประธานคณะกรรมการโนเบลสาขาเคมีได้จัดแสดงขวดห้าใบจำนวนหนึ่ง โดยแต่ละขวดบรรจุของเหลวเรืองแสงที่มีสีต่างกัน ของเหลวกักเก็บสารละลายของเหลวที่มีจุดควอนตัมซึ่งมีขนาดเพียงไม่กี่ล้านของมิลลิเมตร ด้วยขนาดที่เล็กขนาดนี้ “กลศาสตร์ควอนตัมเริ่มเล่นกลอุบายทุกประเภท” Åqvist กล่าว

กลศาสตร์ควอนตัมทำนายว่าถ้าคุณนำอิเล็กตรอนมาบีบลงในช่องว่างเล็กๆ ฟังก์ชันคลื่นของอิเล็กตรอนจะถูกบีบอัด ไฮเนอร์ ลิงค์สมาชิกของคณะกรรมการโนเบลสาขาเคมีและเป็นศาสตราจารย์ด้านนาโนฟิสิกส์ ยิ่งคุณสร้างพื้นที่ให้เล็กลง พลังงานของอิเล็กตรอนก็จะมากขึ้นเท่านั้น ซึ่งหมายความว่ามันสามารถให้พลังงานแก่โฟตอนได้มากขึ้น โดยพื้นฐานแล้ว ขนาดของจุดควอนตัมจะกำหนดว่าสีใดจะส่องแสง อนุภาคที่เล็กที่สุดจะส่องแสงเป็นสีน้ำเงิน ในขณะที่อนุภาคที่ใหญ่กว่าจะส่องแสงเป็นสีเหลืองและสีแดง

ในช่วงทศวรรษ 1970 นักฟิสิกส์รู้ว่าในทางทฤษฎีแล้วปรากฏการณ์ควอนตัมควรเกี่ยวข้องกับอนุภาคที่มีขนาดเล็กมาก เช่นเดียวกับที่เกิดขึ้นกับฟิล์มบางเฉียบ แต่การทำนายนั้นดูเหมือนจะเป็นไปไม่ได้ที่จะทดสอบ ดูเหมือนจะไม่มีวิธีที่ดีในการสร้างและจัดการอนุภาคยกเว้น ภายในวัสดุอื่นๆ ที่จะปกปิดคุณสมบัติของมัน อย่างไรก็ตาม ในปี 1981 ที่สถาบันแว่นตาแห่งรัฐ SI Vavilov ในสหภาพโซเวียต Ekimov ได้เปลี่ยนแปลงสิ่งนั้น ขณะเติมสารประกอบทองแดงและคลอรีนลงในแก้ว เขาค้นพบว่าสีของแก้วขึ้นอยู่กับขนาดของอนุภาคที่เติมเข้าไปนั้นโดยสิ้นเชิง เขารู้อย่างรวดเร็วว่าเอฟเฟกต์ควอนตัมเป็นคำอธิบายที่น่าเป็นไปได้

ในปี 1983 ที่ Bell Labs Brus กำลังทำการทดลองเกี่ยวกับการใช้แสงเพื่อขับเคลื่อนปฏิกิริยาเคมี Brus (ปัจจุบันอยู่ที่มหาวิทยาลัยโคลัมเบีย) สังเกตเห็นว่าขนาดของอนุภาคนาโนยังส่งผลต่อคุณสมบัติทางแสงของพวกมัน แม้ว่าพวกมันจะลอยอย่างอิสระในสารละลายของเหลวก็ตาม “สิ่งนี้กระตุ้นให้เกิดความสนใจอย่างมาก” Linke กล่าว

ยูทิลิตี้ออปโตอิเล็กทรอนิกส์ที่เป็นไปได้ของอนุภาคดังกล่าวไม่ได้สูญหายไปจากนักเทคโนโลยีที่ติดตามการนำของ มาร์ครี้ด ของมหาวิทยาลัยเยล โดยเรียกพวกมันว่าควอนตัมดอท แต่ในทศวรรษหน้า นักวิจัยประสบปัญหาในการควบคุมขนาดและคุณภาพของอนุภาคเหล่านี้อย่างแม่นยำ

อย่างไรก็ตามในปี 1993 Bawendi ได้คิดค้น "วิธีการทางเคมีอันชาญฉลาด" เพื่อสร้างอนุภาคนาโนที่สมบูรณ์แบบ Åqvist กล่าว เขาสามารถควบคุมช่วงเวลาที่แน่นอนเมื่อคริสตัลก่อตัวขึ้น และจากนั้นเขาก็สามารถหยุดและเริ่มต้นการเติบโตต่อไปในลักษณะที่ได้รับการควบคุม การค้นพบของเขาทำให้ควอนตัมดอทมีประโยชน์อย่างกว้างขวางในการใช้งานที่หลากหลาย

การใช้งานอนุภาคนาโนเหล่านี้มีตั้งแต่จอแสดงผล LED และเซลล์แสงอาทิตย์ ไปจนถึงการสร้างภาพทางชีวเคมีและการแพทย์ “ความสำเร็จเหล่านี้ถือเป็นก้าวสำคัญในด้านนาโนเทคโนโลยี” Åqvist กล่าว

จุดควอนตัมคืออะไร?

พวกมันเป็นอนุภาคนาโนที่มนุษย์สร้างขึ้นซึ่งมีขนาดเล็กมากจนคุณสมบัติของพวกมันถูกควบคุมโดยกลศาสตร์ควอนตัม คุณสมบัติเหล่านั้นรวมถึงการแผ่รังสี: ความยาวคลื่นของแสงที่ปล่อยออกมานั้นขึ้นอยู่กับขนาดของอนุภาคเท่านั้น อิเล็กตรอนในอนุภาคขนาดใหญ่จะมีพลังงานน้อยกว่าและปล่อยแสงสีแดง ในขณะที่อิเล็กตรอนในอนุภาคขนาดเล็กจะมีพลังงานมากกว่าและปล่อยแสงสีน้ำเงินออกมา

นักวิจัยสามารถระบุได้อย่างแม่นยำว่าสีของแสงที่จะออกมาจากจุดควอนตัมเพียงแค่ควบคุมขนาดของจุดควอนตัม ซึ่งให้ข้อได้เปรียบอย่างมากเหนือการใช้โมเลกุลเรืองแสงชนิดอื่นๆ ซึ่งจำเป็นต้องใช้โมเลกุลชนิดใหม่สำหรับทุกสีที่แตกต่างกัน

ข้อได้เปรียบด้านการควบคุมไม่ได้จำกัดอยู่เพียงสีของจุดควอนตัม ด้วยการปรับขนาดของอนุภาคนาโน นักวิจัยยังสามารถปรับผลกระทบทางไฟฟ้า แสง และแม่เหล็กได้ เช่นเดียวกับคุณสมบัติทางกายภาพ เช่น จุดหลอมเหลว หรือวิธีที่พวกมันมีอิทธิพลต่อปฏิกิริยาเคมี

งานของ Bawendi ทำให้จุดควอนตัมใช้งานได้จริงอย่างไร

ในปี 1993 Bawendi และทีมงานของเขาที่สถาบันเทคโนโลยีแมสซาชูเซตส์ได้พัฒนาวิธีการผลิตจุดควอนตัมได้แม่นยำยิ่งขึ้นและมีคุณภาพสูงขึ้นกว่าที่เคยเป็นไปได้ พวกเขาค้นพบวิธีที่จะเติบโตนาโนคริสตัลได้ในทันทีโดยการฉีดสารตั้งต้นทางเคมีเข้าไปในตัวทำละลายที่ร้อนจัด จากนั้นนักวิจัยก็หยุดการเจริญเติบโตของผลึกทันทีโดยการลดอุณหภูมิของตัวทำละลายลง ทำให้เกิด "เมล็ด" ที่เป็นผลึกขนาดเล็กที่สุด ด้วยการอุ่นสารละลายอย่างช้าๆ พวกเขาสามารถควบคุมการเติบโตของนาโนคริสตัลต่อไปได้ วิธีการของพวกเขาผลิตผลึกในขนาดที่ต้องการทำซ้ำได้ และสามารถปรับให้เข้ากับระบบต่างๆ ได้

จุดควอนตัมถูกใช้ที่ไหน?

หากคุณเคยดูรายการต่างๆ บน QLED TV คุณเคยเห็นอนุภาคนาโนเหล่านี้เกิดขึ้นแล้ว แต่พวกมันยังถูกนำไปใช้ในด้านการถ่ายภาพและการให้แสงทางชีวการแพทย์อีกด้วย นักวิจัยยังคงสำรวจการใช้งานเพิ่มเติมสำหรับอนุภาคนาโนเหล่านี้ในการคำนวณและการสื่อสารควอนตัม อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ยืดหยุ่น เซ็นเซอร์ เซลล์แสงอาทิตย์ที่มีประสิทธิภาพ และการเร่งปฏิกิริยาสำหรับเชื้อเพลิงพลังงานแสงอาทิตย์