Новость в виде короткого видео
В 2023 году Нобелевская премия по химии присуждена Луису Брусу и Алексею Екимову и за создание в 80-х независимо друг от друга наночастиц, меняющих цвет состава, а Мунги Бавенди за создание технологии «квантовых точек», которые сейчас используются в мониторах и лабораторном оборудовании.
Суть технологии
У нас есть много материалов, посвященных тому как законы физики дают нам цвет. Феномен того что разные твердые вещества поглощают одни длины волн и отражают другие имеет квантовую природу. Если бы мы могли увидеть наномир, то заметили бы влияние размера объектов на их цвет. А цвет, например, неба зависит от взаимодействия света с примесями в воздухе - частицами пыли и воды. За счет частиц примесей, цвет которым дают квантовые механизмы, можно сделать, например, цветное стекло. Именно этим занимался Алексей Иванович Екимов в Государственном оптическом институте имени С. И. Вавилова. Кстати, рядом с ГОИ на Васильевском острове в Петербурге находится музей оптики, рекомендую посетить.
В чем тут проблема?
Любое открытие в физике - это попытка решить какую-то проблему. А в чем же проблема цветного стекла? Факт того что примеси окрашивают то в чем содержатся, в частности, небо и стекло был известен с незапамятных времен. Еще у римского философа Сенеки была своя теория радуги, а получать цветное стекло люди научились еще в третьем тысячелетии до нашей эры. Проблема для физики тут заключается в том, что одна и та де примесь давала стеклу разные цвета, в зависимости от технологии нагрева и охлаждения. Степень доктора наук Алексей Иванович получил за научную работу «Квантовые размерные явления в полупроводниковых микрокристаллах». Физики понимали, что если решение проблемы цветного стекла имеет квантовую природу, то его можно применять в создании любых материалов с необычными свойтсвами. Предположение оказалось верным.
Причем тут химия?
Перед созданием любой технологии физики спрашивают у химиков: «из какого вещества лучше сделать эту деталь?» И вместе они обращались к двухмерной таблице периодических элементов Дмитрия Менделеева. Свойства этих элементов во многом определяются поведением электронов на внешней орбитали. И теперь можно добавить к таблице новое измерение - величину частиц. У маленьких частиц меняются свойства за счет более плотной упаковки волны, которую из себя представляет электрон, согласно квантовой физике. А у больших атомов на свойства влияют релятивистские эффекты, которые испытывают внешние электроны согласно специальной теории относительности. Получается в материаловедении физики и химики теперь неразделимы.
Эксперимент Екимова
Алексей Екимов производил образцы стекла, которые были тонированы хлоридом меди. Расплав стекла нагревался в течении разного времени от 1 до 96 часов. В результате получались изделия, в которых размер кристаллов хлорида меди варьировался от 2 до 30 нанометров. Чем меньше были частицы примеси, тем более синий оттенок видимого света поглощал образец стекла. Алексей Иванович стал первым человеком, способным производить «квантовые точки» - частицы, меняющие цвет из-за размеров, однако в мире о научной статье, опубликованной в 1981 году в Советском Союзе, никто не знал. Поэтому, Луис Брус, создавший подобные частицы в растворе жидкости 1983 году, так же считался первооткрывателем «квантовых точек».
Эксперимент Бруса
Луис Брус работал в «Бэлл Лабс» - фирме, подарившей миру семь нобелевских премий, включая открытие реликтового излучения Вселенной. В число полезных изобретений «Бэлл Лабс» входят транзистор, лазер, принцип сотовых сетей, семейство языков С и операционная система UNIX. Каждое из этих изобретений повлияло на образ жизни современного человека. Хотя, для многих случаев были совершены похожие открытия, способные побороться за первенство.
Научные труды Луиса Бруса касались эффективности солнечных батарей. Более мелкие частицы имеют большую суммарную площадь, что позволяет эффективнее поглощать солнечный свет. В отличие от эксперимента Екимова, который добивался уменьшения размеров примесей в стекле, Брус обнаружил изменение оптических свойств раствора, за счет того что примеси в нем росли в своих размерах со временем. «Свежий» раствор содержал частицы сульфида кадмия размером 4,5 нанометра, а то что постоял какое-то время на столе 12,5 нанометров. Брус так же как и Екимов зафиксировал увеличение поглощения синего цвета с уменьшением размеров частиц.
Эксперимент Бавенди
Несмотря на то что «квантовые точки» были открыты в 80-е, не было технологии, позволяющей получить множество одинаковых частиц стабильного заданного размера. Мунги Бавенди работал в лаборатории Луиса Бруса в 1988 году над совершенствованием технологии производства «квантовых точек». Любопытно, что все известные ученые о которых я писал имели известных учителей и учеников, а вот про детей выдающихся физиков я как-то ничего не слышал. Это навевает оптимизм, ведь образование в наших руках, в отличие от происхождения.
Бавенди добился успеха в 1993 году работая уже в Массачусетском технологическом институте. Суть технологии такая же, как и у Екимова: контролируемая температура и время выдержки позволяет настраивать размер постелено растущих кристаллов. Только Бавенди проводил эксперимент в растворе в колбе, а не в стекле.
QLED телевизоры
Когда я услышал рекламу телевизоров Samsung с «квантовыми точками», то был уверен что это маркетинговый ход и никаких квантов там и близко нет. Однако, они есть. Позади матрицы телевизора или монитора находится светодбодная подсветка. Легко и дешево сделать светодиоды, испускающие свет синего оттенка, а вот абсолютно белого сложно и дорого. Технология QLED добавляет над светодиодной панелью дополнительный слой, на котором находится раствор с наночатицами. Частиц одного размера поглощают синий свет светодиодов и переизлучают красный, другого размера - зеленый. В результате получается сочетание синего, зеленого и красного цветов, которое можно очень тонко настроить для получения очень чистого белого света. Жидкие кристаллы матрицы не получают цветового искажения от синеватой светодиодной подсветки, что и влияет на качество изображения.
Подобная технология подсветки используется в лабораторном оборудовании для изучения медицинских препаратов. Это делает «квантовые точки» полезными как для развлечения, так и для мирового здравоохранения.
Происхождение лауреатов
Еще работая над статьей о Нобелевской премии по физике 2023 столкнулся с небольшой путаницей в стране, которую представляют лауреаты. В презентации Нобелевского комитета указаны текущие компании, где работают физики. Однако, открытия за которые они номинированы, были совершены в других институтах и других странах. В случае с Алексеем Екимовым эта деталь попала в заголовки: «Ученый из России получил нобелевскую премию по химии». Сразу под заголовком - слайд презентации, где указано что Екимов из компании Nanocrystals Technology, США. В Нью-Йорк Алексей Иванович переехал 24 года назад, а до этого был приглашённым профессором в Политехнической школе в Париже. Так откуда ученый: из России, США или может быть Франции? И химик он или физик? Как современная метрология никуда не поедет без сочетания химии и физики, также научное знание существует только на международном уровне. Вместо того чтобы размышлять, каким бы странам поучиться создавать школу научных кадров, лучше подумать у кого вы могли бы поучиться, чтобы приобрести актуальные знания о мире и, возможно, получить Нобелевскую премию в следующем году. Чего всем и желаю!
Что еще почитать?
Если вам понравился материал и вы хотите еще, то есть следующие возможности:
- Наша статья о Нобелевской премии по физике 2023;
- Наша статья о Нобелевской премии по физике 2022.
Автор статьи — физик Георгий Тимс для проекта «Физика для гуманитариев». При копировании, пожалуйста, указывайте авторство. Социальные сети проекта: Телеграмм канал, Ютуб канал