Нобелевская премия по химии за 2023 год была присуждена сегодня трем ученым за открытие квантовых точек. Это наночастицы настолько маленькие, что их размер определяет многие их свойства, такие как цвет. И это, в свою очередь, делает их бесценными в самых разных областях применения - от больших цветных дисплеев до производства энергии.
Победителями стали Алексей Екимов из фирмы Nanocrystals Technology, Мунги Бавенди из Массачусетского технологического института и Луис Брус из Колумбийского университета. Трое ученых разделят приз в размере 11 миллионов шведских крон, или почти 1 миллион долларов.
Создавая бесконечное количество цветов, квантовые точки сегодня являются распространенными материалами на больших телевизионных экранах. По сути, это крошечные кристаллы, но проще представить каждый из них как сжатый шарик диаметром всего несколько нанометров, содержащий электроны.
Электроны являются ключом к тому, как работают точки. “Если вы берете электрон и помещаете его в небольшое пространство, его волновая функция сжимается”, что означает, что у электрона меньше свободы перемещения, - сказал Хайнер Линке, член Нобелевского комитета по химии, во время объявления. Сжатие позволяет электронам накапливать больше энергии.
Электроны высвобождают эту энергию в виде фотонов — пучков света — и эти фотоны будут выглядеть разными цветами, в зависимости от того, насколько сильно сжаты электроны.
Это изменение - квантовый эффект, одна из загадочных вещей, происходящих в области невероятно малого. Так, например, самые маленькие точки будут излучать больше коротковолнового синего света, чем длинноволнового красного. Небольшое увеличение точек изменит цветовую композицию.
Точки также используются в биомедицинской визуализации — для визуализации кровеносных сосудов, питающих опухоли, — и в солнечных элементах, где они могут усиливать энергию, вырабатываемую панелями. Изменение их размера может также изменить другие свойства, такие как температура плавления.
Бавенди, когда с ним связались по телефону из Шведской королевской академии наук после объявления, сказал, что он “очень удивлен..., сонный, шокированный... и очень польщен”. Остальной мир, возможно, был удивлен чуть меньше. Имя Бавенди, наряду с двумя его коллегами, просочилось в документ, разосланный академией за несколько часов до официального объявления. Это была редкая брешь в том, что обычно является высокоорганизованным и конфиденциальным процессом. Ханс Эллегрен, генеральный секретарь академии, сказал, что организация не знает, что произошло.
Эта новость, какой бы она ни была, была встречена аплодисментами других химиков. “Эти замечательные наночастицы обладают огромным потенциалом для создания меньших по размеру, более быстрых и интеллектуальных устройств, повышения эффективности солнечных панелей и яркости экрана вашего телевизора”, - сказал Джилл Рид, президент Королевского химического общества и химик-неорганик из Университета Саутгемптона в Англии, в недавнем заявлении. Нобелевская премия “действительно захватывающая и показывает, как химия может быть использована для решения целого ряда задач”, - сказала она.
И хотя квантовые эффекты часто считаются областью физики, Джудит Джордан, химик и президент Американского химического общества, убедительно доказывает, что точки - это химические продукты. “У нас есть электроны. Они есть в каждом отдельном атоме”, - говорит она. И хотя физики теоретизировали эффекты удержания электронов в крошечных пространствах, “именно химики внедрили их в новую архитектуру атомов, которые выяснили, как на самом деле производить их в лаборатории, а затем в производственных условиях”.
Понятие квантовых точек впервые появилось в теориях в 1930-х годах, а затем застопорилось на десятилетия. Но в начале 1980-х годов Екимов поместил наночастицы хлорида меди в стекло и показал, что размер частиц изменяет цвет стекла за счет квантовых эффектов. Несколько лет спустя Брус добился аналогичных изменений цвета с помощью наночастиц, свободно плавающих в жидкости.
В 1993 году компания Bawendi разработала способ стандартизации точечного производства, который открыл эту область для многих других лабораторий и компаний. “Он упростил задачу”, - говорит химик Ригоберто Адвинкула, работающий над наноразмерными технологиями в Университете Теннесси, Ноксвилл.
Лаборатория Бавенди создала своего рода “суп” из других веществ, которые прикреплялись к семенам квантовых точек и точно регулировали их рост. Это сделало семена очень “настраиваемыми”, говоря языком химии, говорит Адвинкула. Это был простой способ контролировать их размер и, таким образом, настраивать их на выработку различных уровней энергии, добавляет он.
В дополнение к большим экранам и солнечным панелям, точки используются для регулировки цвета светодиодных ламп, чтобы сделать их менее резкими. Ученые-медики также изучают их использование в качестве датчиков и зондов для обнаружения труднодоступных молекул в организме. После объявления Бавенди сказал, что “это только начало”.