В 2023 году Нобелевская премия по химии была вручена трём выдающимся учёным в области материаловедения и нанотехнологий – профессорам Алексею И. Екимову, Луису Э. Брюсу и Мунги Г. Бавенди. Их наградили за новаторские исследования в сфере квантовых точек. В этой статье мы более подробно рассмотрим суть их открытия и разберём, почему именно это достижение заслуживает мирового признания.
В первой части статьи мы познакомим вас с концепцией квантовых точек. Во втором разделе раскроем принципы их функционирования. Третья часть посвящена анализу вклада каждого из троих нобелевских лауреатов в разработку и синтез квантовых точек. Наконец, в четвёртом разделе мы подведем итоги, рассказав о значении этого открытия для науки и возможных перспективах его применения в будущем.
Алексей Иванович Екимов, родившийся 28 февраля 1945 года в Ленинграде, является выдающимся ученым, достигшим значительных успехов в области физики твердого тела и оптики. В его научной биографии значатся степень доктора физико-математических наук, а также звания лауреата Государственной премии СССР (1976) и Нобелевской премии по химии, которую он получил в 2023 году совместно с Мунги Бавенди и Луисом Брюсом.
Благодаря своим исследованиям в сфере нанокристаллических полупроводниковых квантовых точек, Алексей Иванович заслужил мировое признание. Его пионерские работы в области электронных и оптических свойств квантовых точек считаются фундаментальным вкладом в науку и стали базой для дальнейших исследований в этой области.
Название "квантовая точка" подразумевает две вещи. "Квант" указывает на крайне мелкий размер объекта, а "точка" подчеркивает его миниатюрность. Так что мы имеем дело с чем-то крохотным. Квантовые точки - это миниатюрные кристаллы, размеры которых настолько малы, что они измеряются в нанометрах. Эти крошечные кристаллы обладают уникальными свойствами, отличающими их от крупных кристаллов.
Например, давайте рассмотрим кристалл большого размера. Если мы возьмем его крошечный фрагмент, размером в несколько нанометров, то этот микроскопический фрагмент и будет квантовой точкой. Это интересно, потому что, несмотря на то, что большой кристалл и квантовая точка состоят из одних и тех же атомов, их оптические свойства будут различными.
Другими словами, квантовая точка - это нанокристалл, который состоит из таких же атомов, как и обычный кристалл, но её малые размеры придают ей уникальные свойства. Эти свойства включают в себя не только оптические, но и электрические, магнитные и даже каталитические характеристики, которые изменяются в зависимости от размера кристалла. Так, например, если мы рассмотрим кристаллы разного размера, от больших до нанометровых, мы увидим, что их цвета будут меняться от красного до синего в зависимости от размера кристалла.
Великолепие квантовых точек проявляется в их уникальных свойствах, которые зависят от размера кристалла. Например, кристалл больших размеров будет излучать свет красного цвета и аналогично поглощать его, в то время как меньший кристалл будет излучать и поглощать свет синего цвета. Это означает, что у нас есть целый спектр цветов, который зависит от размера кристалла: от красного для больших кристаллов до синего для маленьких.
Но в чем же заключается отличие квантовых точек от обычных молекул, которые тоже могут быть окрашены? Давайте рассмотрим, например, окрашенные конъюгированные органические молекулы или металлокомплексы. В этих молекулах цвет зависит от их химической структуры, а точнее, от конъюгации электронов или от типа металла в центре комплекса. То есть изменение конъюгации или замена металла приведет к изменению цвета молекулы.
В случае же квантовых точек решающим фактором является размер кристалла. Все остальное, включая молекулярное строение, остается неизменным. По мере уменьшения размера кристалла меняется его цвет, что и делает квантовые точки такими особенными и интересными для научных исследований и практического применения.
Давайте рассмотрим такой пример из квантовой химии, как частица в коробке. Итак, согласно теории, энергия частицы внутри коробки вычисляется по формуле. Здесь видно, что энергия обратно пропорциональна длине коробки. Это также означает, что энергия связана с длиной волны света. Следовательно, чем длиннее коробка, тем больше длина волны света, с которой она взаимодействует, и наоборот.
где:
- E - энергия частицы,
- n - главное квантовое число,
- h - постоянная Планка,
- m - масса частицы,
- l - длина коробки.
А теперь перейдем к квантовым точкам. Если мы возьмем квантовую точку большего размера, то ее размер будет аналогичен длине коробки в предыдущем примере. Таким образом, большая квантовая точка будет взаимодействовать со светом большей длины волны, что соответствует красному цвету. Поэтому большие квантовые точки кажутся красноватыми. Если же взять квантовую точку меньшего размера, то она будет взаимодействовать со светом меньшей длины волны, что соответствует синему цвету. Таким образом, меньшие квантовые точки будут синими.
Стоит отметить, что все квантовые точки являются нанокристаллами, то есть кристаллами нанометрового масштаба. Поэтому их можно называть как квантовыми точками, так и нанокристаллами. Но почему же мы предпочитаем называть их именно квантовыми точками? Это связано с тем, что их маленький размер напоминает точку, и они взаимодействуют со светом, создавая уникальные оптические эффекты.
И вот мы добрались - Нобелевские лауреаты и их уникальный вклад в науку. Начнем обсуждение с Алексея И. Екимова, физика, который начал исследовать квантовые точки во время своей докторской работы над полупроводниками. Именно в этот период он стал изучать взаимодействие полупроводников со светом, а также процессы их поглощения.
Процесс становления Алексея И. Екимова в науке продолжился исследованием оптических свойств цветных стекол. В одном из экспериментов он плавил стекло при высоких температурах, добавляя туда хлорид меди. В результате остывшее стекло имело различные оттенки в зависимости от размера кристаллов хлорида меди в его составе. Этот эксперимент, проведенный в 1981 году, стал первым в истории случаем, когда была обнаружена зависимость цвета стекла от размера входящих в его состав кристаллов хлорида меди.
Важно понимать, что квантовые точки, созданные в ходе этого эксперимента, были получены достаточно примитивным методом и на тот момент не имели широкого практического применения. Но именно эти исследования положили начало пониманию того, как можно манипулировать цветом материала, изменяя размер его кристаллической структуры.
После Алексея И. Екимова, свой значительный вклад в науку внес еще один лауреат Нобелевской премии - Луис Э. Брюс. Работая в лаборатории, Луис ставил перед собой амбициозную задачу - использовать солнечную энергию для проведения химических реакций. В своих исследованиях он выбрал сульфат кадмия как химическое вещество, способное поглощать солнечный свет и использовать его для проведения реакций.
Размышляя о том, как оптимизировать процесс, Луис пришел к выводу, что чем меньше размер частиц сульфата кадмия, тем больше поверхности они имеют для взаимодействия с солнечным светом, и, следовательно, больше света они смогут поглотить. Исходя из этого, он начал работать над уменьшением размера кристаллов сульфата кадмия до нанометрового масштаба. Полученные таким образом нанокристаллы находились в жидком состоянии, поскольку растворялись в растворителе.
В процессе экспериментов Луис Э. Брюс обнаружил изменение оптических свойств нанокристаллов в зависимости от их размера. Таким образом, в 1983 году он опубликовал результаты своих исследований, став вторым ученым, который сообщил о наблюдении размерно-специфических квантовых эффектов. Однако, несмотря на значительные успехи, Луис Э. Брюс столкнулся с трудностью создания конкретного типа нанокристаллов, поскольку метод, который он использовал, не позволял получать кристаллы одинакового размера.
Значительный вклад в область нанохимии и химии материалов внес третий лауреат Нобелевской премии. Его целью было создание квантовых точек с идентичными размерами, благодаря чему их квантовые свойства тоже были бы практически одинаковыми. Мунги Г. Бавенди в то время являлся аспирантом в лаборатории Луиса Э. Брюса и активно занимался этим вопросом. После многочисленных экспериментов и неудач, наконец, в 1993 году, команда Бавенди достигла значительного успеха в синтезе нанокристаллов с одинаковыми размерами.
Используя новаторские методики и специально подобранные растворители, ученым удалось сформировать кристаллы точно заданных размеров. Ключевым этапом стало внимательное введение вещества, формирующего нанокристаллы, в предварительно нагретый раствор. Этот процесс приводил к формированию мельчайших кристаллов, а затем, меняя температуру раствора, ученым удалось синтезировать нанокристаллы нужного размера. Полученные таким образом кристаллы обладали строго определенными размерами и квантовыми эффектами. Этот прорыв не только сделал возможным синтез квантовых точек нужного размера, но и открыл новые горизонты в области нанохимии и химии материалов.
Таким образом, труды Бавенди и его коллег оказали важное влияние на развитие нанотехнологий и синтез нанокристаллов. Эти открытия открыли перед химиками по всему миру новые возможности в области синтеза нанокристаллов с использованием метода, разработанного командой Бенди. Это был важный шаг в становлении нанохимии и химии материалов как самостоятельных научных дисциплин.
Прогресс в области квантовых точек стал возможным благодаря вкладу трех выдающихся ученых. Открывший явление квантовых точек в твердых материалах Екимов, расширивший его на состояние раствора Брюс и, наконец, создавший метод синтеза однородных квантовых точек определенного размера Бавенди - каждый из них внес свой вклад в развитие этой области. Их научные достижения были отмечены Нобелевской премией, олицетворив собой новую веху в мире химии - нанохимию.
Вопрос о причастности этой дисциплины к химии, а не к физике, действительно интересен. Хотя квантовые точки, как объекты изучения, близки к физике, их синтез - это работа химика. Без химических процессов создание квантовых точек было бы невозможно. Синтезированные квантовые точки, в свою очередь, могут быть использованы в различных областях науки, от физики до биологии.
Открытие квантовых точек и разработка методов их синтеза стали настоящим прорывом и дали старт развитию нанохимии и химии материалов. Эти области науки, активно развивающиеся сегодня, позволяют создавать новые материалы с уникальными свойствами, что, несомненно, будет иметь значительное влияние на будущее человечества.
о многих исследовательских центрах ведется активная работа по созданию перовскитов, квантовых точек и кристаллов уменьшенных размеров, обладающих уникальными оптическими характеристиками. Эти материалы, благодаря своим разнообразным оптическим свойствам, открывают перед нами бескрайние возможности применения в сферах, где используется цвет. Светодиоды, телевизионные экраны, квантовые светодиоды – вот лишь некоторые из применений, где эти квантовые точки находят свое воплощение, обеспечивая яркость и чистоту цветовой гаммы на экранах.
Не менее важным является их использование в медицинской химии. Ученые активно используют квантовые точки для маркировки биологических клеток и тканей, что позволяет визуально отслеживать распространение опухолевых клеток в организме. Именно благодаря их флуоресцентным свойствам и возможности окрашивания, хирурги и специалисты в области биологии могут более точно проводить операции по удалению опухолей.
Это открытие заслуживает высокой оценки, включая Нобелевскую премию, так как оно открывает перед нами новые горизонты в нанохимии и химии материалов. Подписывайтесь на наши обновления, чтобы всегда быть в курсе последних новостей и интересных материалов. Если статья была полезной для вас, не забудьте поделиться ей в социальных сетях - так вы поможете распространить полезную информацию среди своих друзей и знакомых. Ваши комментарии и отзывы также очень важны для нас, оставляйте их в специальном разделе под статьей. Благодарим за внимание и ждем вас снова на страницах нашего ресурса. Всего вам хорошего!
