Βραβείο Νόμπελ Χημείας 2023:Οι κβαντικές κουκκίδες φέρνουν επανάσταση στην επιστήμη και την τεχνολογία

Φανταστείτε έναν νανοκρύσταλλο τόσο μικροσκοπικό που συμπεριφέρεται σαν άτομο. Οι Moungi G. Bawendi, Louis E. Brus και Alexei I. Ekimov τιμήθηκαν με το Νόμπελ Χημείας 2023 για την ανακάλυψη μιας κατηγορίας τέτοιων μικρών θαυμάτων, γνωστών πλέον ως κβαντικών κουκκίδων, και για την ανάπτυξη μιας ακριβούς μεθόδου σύνθεσής τους. Οι κβαντικές κουκκίδες διαδραματίζουν ήδη σημαντικό ρόλο στα ηλεκτρονικά και στη βιοϊατρική, όπως στη χορήγηση φαρμάκων, στην απεικόνιση και στις ιατρικές διαγνώσεις, και έχουν περισσότερες υποσχόμενες εφαρμογές στο μέλλον, ανέφερε η Επιτροπή Νόμπελ Χημείας στην ανακοίνωσή της για το βραβείο.

Οι κβαντικές κουκκίδες, που μερικές φορές ονομάζονται τεχνητά άτομα, είναι ακριβείς νανοκρύσταλλοι κατασκευασμένοι από πυρίτιο και άλλα ημιαγωγικά υλικά που έχουν πλάτος μόλις λίγα νανόμετρα — αρκετά μικρά ώστε να παρουσιάζουν κβαντικές ιδιότητες όπως ακριβώς κάνουν τα μεμονωμένα άτομα, αν και έχουν μέγεθος εκατό έως μερικές χιλιάδες άτομα. Επειδή τα ηλεκτρόνια μπορούν να παγιδευτούν σε ορισμένα ενεργειακά επίπεδα μέσα τους, οι νανοκρύσταλλοι μπορούν να εκπέμπουν μόνο ορισμένα μήκη κύματος φωτός. Ελέγχοντας το μέγεθος των σωματιδίων, οι ερευνητές μπορούν να προγραμματίσουν με ακρίβεια ποιο χρώμα θα αναβοσβήνουν οι κβαντικές κουκκίδες όταν διεγείρονται.

Επί σκηνής στην ανακοίνωση του βραβείου Νόμπελ σήμερα το πρωί, ο Johan Åqvist, πρόεδρος της Επιτροπής Νόμπελ για τη Χημεία, παρουσίασε μια σειρά από πέντε φιάλες, το καθένα από τα οποία περιείχε υγρό που λάμπει με διαφορετικό χρώμα. Τα υγρά συγκρατούσαν υγρά διαλύματα κβαντικών κουκκίδων μεγέθους μόνο μερικών εκατομμυριοστών του χιλιοστού. Σε αυτό το μικροσκοπικό μέγεθος, "η κβαντική μηχανική αρχίζει να παίζει κάθε είδους κόλπα", είπε ο Åqvist.

Η κβαντομηχανική προβλέπει ότι αν πάρετε ένα ηλεκτρόνιο και το πιέσετε σε ένα μικρό χώρο, η κυματική συνάρτηση του ηλεκτρονίου συμπιέζεται, εξήγησε ο Heiner Linke, μέλος της Επιτροπής Νόμπελ για τη Χημεία και καθηγητής νανοφυσικής. Όσο μικρότερο κάνετε το χώρο, τόσο μεγαλύτερη είναι η ενέργεια του ηλεκτρονίου, που σημαίνει ότι μπορεί να δώσει περισσότερη ενέργεια σε ένα φωτόνιο. Στην ουσία, το μέγεθος μιας κβαντικής κουκκίδας καθορίζει το χρώμα που λάμπει. Τα μικρότερα σωματίδια λάμπουν μπλε, ενώ τα μεγαλύτερα λάμπουν κίτρινο και κόκκινο.

Μέχρι τη δεκαετία του 1970, οι φυσικοί γνώριζαν ότι τα κβαντικά φαινόμενα θα έπρεπε θεωρητικά να συνδέονται με σωματίδια εξαιρετικά μικρού μεγέθους, όπως συνέβη με τα υπερλεπτά φιλμ, αλλά αυτή η πρόβλεψη φαινόταν αδύνατη να δοκιμαστεί:Φαινόταν ότι δεν υπήρχε καλός τρόπος κατασκευής και χειρισμού σωματιδίων εκτός από άλλα υλικά που θα κάλυπταν τις ιδιότητές τους. Το 1981 στο Κρατικό Οπτικό Ινστιτούτο S.I. Vavilov στη Σοβιετική Ένωση, ωστόσο, ο Ekimov το άλλαξε. Ενώ πρόσθετε ενώσεις χαλκού και χλωρίου σε ένα ποτήρι, ανακάλυψε ότι το χρώμα του γυαλιού εξαρτιόταν εξ ολοκλήρου από το μέγεθος αυτών των προστιθέμενων σωματιδίων. Γρήγορα αναγνώρισε ότι τα κβαντικά φαινόμενα ήταν η πιθανή εξήγηση.

Το 1983 στο Bell Labs, ο Brus διεξήγαγε πειράματα σχετικά με τη χρήση του φωτός για την οδήγηση χημικών αντιδράσεων. Ο Brus (τώρα στο Πανεπιστήμιο Κολούμπια) παρατήρησε ότι το μέγεθος των νανοσωματιδίων επηρέαζε επίσης τις οπτικές τους ιδιότητες ακόμα και όταν επέπλεαν ελεύθερα σε ένα υγρό διάλυμα. "Αυτό προκάλεσε μεγάλο ενδιαφέρον", είπε ο Linke.

Η πιθανή οπτοηλεκτρονική χρησιμότητα τέτοιων σωματιδίων δεν χάθηκε στους τεχνολόγους, οι οποίοι ακολούθησαν το παράδειγμα του Mark Reed του Πανεπιστημίου Yale αναφέροντάς τα ως κβαντικές κουκκίδες. Αλλά για την επόμενη δεκαετία, οι ερευνητές αγωνίστηκαν να ελέγξουν με ακρίβεια το μέγεθος και την ποιότητα αυτών των σωματιδίων.

Το 1993, ωστόσο, ο Bawendi εφηύρε μια «ευφυή χημική μέθοδο» για την κατασκευή τέλειων νανοσωματιδίων, είπε ο Åqvist. Μπόρεσε να ελέγξει την ακριβή χρονική στιγμή που σχηματίστηκαν οι κρύσταλλοι και στη συνέχεια μπόρεσε να σταματήσει και να ξαναρχίσει την περαιτέρω ανάπτυξη με ελεγχόμενο τρόπο. Η ανακάλυψή του έκανε τις κβαντικές κουκκίδες ευρέως χρήσιμες σε μια ποικιλία εφαρμογών.

Οι εφαρμογές για αυτά τα νανοσωματίδια κυμαίνονται από οθόνες LED και ηλιακά κύτταρα έως απεικόνιση στη βιοχημεία και την ιατρική. «Αυτά τα επιτεύγματα αντιπροσωπεύουν ένα σημαντικό ορόσημο στη νανοτεχνολογία», είπε ο Åqvist.

Τι είναι οι κβαντικές τελείες;

Είναι ανθρωπογενή νανοσωματίδια τόσο μικρά που οι ιδιότητές τους διέπονται από την κβαντική μηχανική. Αυτές οι ιδιότητες περιλαμβάνουν την εκπομπή φωτός:Το μήκος κύματος του φωτός που εκπέμπουν εξαρτάται αποκλειστικά από το μέγεθος των σωματιδίων. Τα ηλεκτρόνια σε μεγαλύτερα σωματίδια έχουν λιγότερη ενέργεια και εκπέμπουν κόκκινο φως, ενώ τα ηλεκτρόνια σε μικρότερα σωματίδια έχουν περισσότερη ενέργεια και εκπέμπουν μπλε φως.

Merrill Sherman/Quanta Magazine; πηγή:Βασιλική Σουηδική Ακαδημία Επιστημών

Οι ερευνητές μπορούν να προσδιορίσουν με ακρίβεια ποιο χρώμα φωτός θα αναδυθεί από τις κβαντικές κουκκίδες απλώς ρυθμίζοντας το μέγεθός τους. Αυτό προσφέρει ένα τεράστιο πλεονέκτημα έναντι της χρήσης άλλων ειδών φθοριζόντων μορίων, για τα οποία απαιτείται ένας νέος τύπος μορίου για κάθε ξεχωριστό χρώμα.

Αυτό το πλεονέκτημα στη δυνατότητα ελέγχου δεν περιορίζεται στο χρώμα των κβαντικών κουκκίδων. Προσαρμόζοντας το μέγεθος των νανοσωματιδίων, οι ερευνητές μπορούν επίσης να προσαρμόσουν τα ηλεκτρικά, οπτικά και μαγνητικά τους αποτελέσματα, καθώς και τις φυσικές ιδιότητες, όπως το σημείο τήξης τους ή τον τρόπο με τον οποίο επηρεάζουν τις χημικές αντιδράσεις.

Πώς το έργο του Bawendi έκανε πρακτικές τις κβαντικές κουκκίδες;

Το 1993, ο Bawendi και η ομάδα του στο Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Μασαχουσέτης ανέπτυξαν μια μέθοδο για την παραγωγή κβαντικών κουκκίδων με μεγαλύτερη ακρίβεια και υψηλότερη ποιότητα από ό,τι ήταν προηγουμένως δυνατό. Βρήκαν έναν τρόπο να αναπτύξουν τους νανοκρυστάλλους σε μια στιγμή με έγχυση των χημικών πρόδρομών τους σε έναν εξαιρετικά καυτό διαλύτη. Στη συνέχεια, οι ερευνητές σταμάτησαν αμέσως την ανάπτυξη των κρυστάλλων μειώνοντας τη θερμοκρασία του διαλύτη, δημιουργώντας απειροελάχιστους κρυσταλλικούς «σπόρους». Με αργή αναθέρμανση του διαλύματος, θα μπορούσαν να ρυθμίσουν την περαιτέρω ανάπτυξη των νανοκρυστάλλων. Η μέθοδός τους παρήγαγε κρυστάλλους επιθυμητού μεγέθους με δυνατότητα αναπαραγωγής και ήταν προσαρμόσιμος σε διαφορετικά συστήματα.

Πού χρησιμοποιούνται οι κβαντικές τελείες;

Εάν έχετε παρακολουθήσει ποτέ προγράμματα σε μια τηλεόραση QLED, έχετε δει αυτά τα νανοσωματίδια να παίζουν. Αλλά χρησιμοποιούνται επίσης στη βιοϊατρική απεικόνιση και φωτισμό. Οι ερευνητές εξακολουθούν να διερευνούν πρόσθετες εφαρμογές για αυτά τα νανοσωματίδια στους κβαντικούς υπολογιστές και τις επικοινωνίες, τα ευέλικτα ηλεκτρονικά, τους αισθητήρες, τα αποδοτικά ηλιακά κύτταρα και την κατάλυση για ηλιακά καύσιμα.