Nobel Ödülü 'Kuantum Nokta' Nanopartiküllerinin Mucitlerini Onurlandırdı | Quanta Dergisi

Bir atom gibi davranacak kadar küçük bir nanokristal hayal edin. Moungi G.Bawendi, Louis E. Brus ve Alexei I. Ekimov Şimdi kuantum noktaları olarak bilinen bu tür küçük harikalardan oluşan bir kategoriyi keşfettikleri ve bunları sentezlemek için kesin bir yöntem geliştirdikleri için 2023 Nobel Kimya Ödülü'ne layık görüldüler. Nobel Kimya Komitesi ödül duyurusunda, kuantum noktalarının elektronik ve biyotıpta (ilaç dağıtımı, görüntüleme ve tıbbi teşhisler gibi) halihazırda önemli roller oynadığını ve gelecekte daha umut verici uygulamalara sahip olacağını söyledi.

Bazen yapay atomlar olarak da adlandırılan kuantum noktaları, silikondan ve diğer yarı iletken malzemelerden yapılmış, yalnızca birkaç nanometre genişliğinde hassas nanokristallerdir; boyutları yüz ila birkaç bin atom arasında olmasına rağmen, tıpkı bireysel atomların yaptığı gibi kuantum özellikleri sergileyecek kadar küçüktür. . Elektronlar içlerinde belirli enerji seviyelerinde tutulabildiğinden, nanokristaller yalnızca belirli dalga boylarında ışık yayabilir. Araştırmacılar, parçacıkların boyutunu kontrol ederek kuantum noktalarının uyarıldığında hangi renkte yanıp söneceğini tam olarak programlayabilirler.

Bu sabah Nobel Ödülü duyurusunda sahnede, Johan ÅqvistNobel Kimya Komitesi başkanı, her biri farklı renkte parlayan sıvı içeren bir dizi beş şişeyi sergiledi. Sıvılar, milimetrenin yalnızca birkaç milyonda biri boyutunda kuantum noktalarının sıvı çözeltilerini taşıyordu. Åqvist, bu küçük boyutta "kuantum mekaniğinin her türlü hileyi oynamaya başladığını" söyledi.

Kuantum mekaniği, bir elektronu alıp küçük bir alana sıkıştırdığınızda elektronun dalga fonksiyonunun sıkıştırılacağını öngörüyor. Heiner LinkeNobel Kimya Komitesi üyesi ve nanofizik profesörü. Alanı ne kadar küçük yaparsanız elektronun enerjisi o kadar büyük olur, bu da fotona daha fazla enerji verebileceği anlamına gelir. Temelde, bir kuantum noktasının boyutu onun hangi renkte parlayacağını belirler. En küçük parçacıklar mavi renkte parlarken, büyük parçacıklar sarı ve kırmızı renkte parlıyor.

1970'lere gelindiğinde fizikçiler, kuantum olgusunun, tıpkı ultra ince filmlerde olduğu gibi, teoride son derece küçük boyuttaki parçacıklarla ilişkilendirilmesi gerektiğini biliyorlardı, ancak bu tahminin test edilmesi imkansız görünüyordu: Parçacıkları yapmanın ve işlemenin iyi bir yolu yok gibi görünüyordu. özelliklerini maskeleyecek diğer malzemelerin içinde. Ancak 1981'de Sovyetler Birliği'ndeki SI Vavilov Devlet Optik Enstitüsü'nde Ekimov bunu değiştirdi. Bir bardağa bakır ve klor bileşikleri eklerken, camın renginin tamamen eklenen parçacıkların boyutuna bağlı olduğunu keşfetti. Olası açıklamanın kuantum etkileri olduğunu hemen fark etti.

1983 yılında Bell Laboratuarlarında Brus, kimyasal reaksiyonları yönlendirmek için ışığın kullanımı üzerine deneyler yürütüyordu. Brus (şimdi Columbia Üniversitesi'nde), nanopartiküllerin boyutunun, sıvı bir çözelti içinde serbestçe yüzdüklerinde bile optik özelliklerini de etkilediğini fark etti. Linke, "Bu büyük ilgiyi tetikledi" dedi.

Bu tür parçacıkların potansiyel optoelektronik faydası, teknolojinin öncülüğünü takip eden teknoloji uzmanları tarafından da kaybedilmedi. Mark Reed Yale Üniversitesi'nin bunlardan kuantum noktaları olarak bahsetmesi. Ancak sonraki on yıl boyunca araştırmacılar bu parçacıkların boyutunu ve kalitesini tam olarak kontrol etmek için çabaladılar.

Ancak Åqvist, 1993 yılında Bawendi'nin mükemmel nanoparçacıklar yapmak için "ustaca bir kimyasal yöntem" icat ettiğini söyledi. Kristallerin oluştuğu anı tam olarak kontrol edebildi ve daha sonra kontrollü bir şekilde büyümeyi durdurup yeniden başlatabildi. Keşfi, kuantum noktalarının çeşitli uygulamalarda yaygın olarak kullanışlı olmasını sağladı.

Bu nanopartiküllerin uygulamaları LED ekranlardan ve güneş pillerinden biyokimya ve tıptaki görüntülemeye kadar uzanmaktadır. Åqvist, "Bu başarılar nanoteknolojide önemli bir kilometre taşını temsil ediyor" dedi.

Kuantum noktaları nedir?

Bunlar, özellikleri kuantum mekaniği tarafından yönetilecek kadar küçük, insan yapımı nanopartiküllerdir. Bu özellikler ışık emisyonunu içerir: Yaydıkları ışığın dalga boyu yalnızca parçacıkların boyutuna bağlıdır. Daha büyük parçacıklardaki elektronlar daha az enerjiye sahiptir ve kırmızı ışık yayarlar, oysa daha küçük parçacıklardaki elektronlar daha fazla enerjiye sahiptir ve mavi ışık yayarlar.

Araştırmacılar, kuantum noktalarından hangi renkte ışığın çıkacağını, yalnızca boyutlarını düzenleyerek kesin olarak belirleyebiliyorlar. Bu, her farklı renk için yeni bir molekül türünün gerekli olduğu diğer türdeki floresan moleküllerin kullanımına göre çok büyük bir avantaj sunuyor.

Kontrol edilebilirlikteki bu avantaj, kuantum noktalarının rengiyle sınırlı değildir. Araştırmacılar, nanopartiküllerin boyutunu ayarlayarak bunların elektriksel, optik ve manyetik etkilerinin yanı sıra erime noktaları veya kimyasal reaksiyonları nasıl etkiledikleri gibi fiziksel özelliklerini de ayarlayabilirler.

Bawendi'nin çalışması kuantum noktalarını nasıl pratik hale getirdi?

1993 yılında Massachusetts Teknoloji Enstitüsü'ndeki Bawendi ve ekibi, daha önce mümkün olandan daha hassas ve daha yüksek kalitede kuantum noktaları üretmek için bir yöntem geliştirdi. Kimyasal öncüllerini aşırı sıcak bir çözücüye enjekte ederek nanokristalleri anında büyütmenin bir yolunu buldular. Araştırmacılar daha sonra çözücünün sıcaklığını düşürerek kristallerin büyümesini derhal durdurdular ve sonsuz küçük kristal "tohumlar" yarattılar. Çözeltiyi yavaşça yeniden ısıtarak nanokristallerin daha fazla büyümesini düzenleyebilirler. Yöntemleri, tekrarlanabilir şekilde istenen boyutta kristaller üretti ve farklı sistemlere uyarlanabildi.

Kuantum noktaları nerede kullanılıyor?

Daha önce QLED TV'de program izlediyseniz bu nanopartiküllerin iş başında olduğunu görmüşsünüzdür. Ancak aynı zamanda biyomedikal görüntüleme ve aydınlatmada da kullanılıyorlar. Araştırmacılar hala bu nanopartiküller için kuantum hesaplama ve iletişim, esnek elektronikler, sensörler, verimli güneş pilleri ve güneş yakıtları için kataliz alanlarında ek uygulamalar araştırıyorlar.