Нобелови награди 2023: Наночастици със зависими от размера квантови ефекти

Размерът има значение в нанотехнологиите

Ваня Милева Последна промяна на 04 октомври 2023 в 13:26 4648 0

Мънгей Бауенди (Moungi G. Bawendi), Люис Брус (Louis E. Brus) и Алексей Екимов (Alexei I. Ekimov) получават Нобелова награда за химия за 2023 г. за откриването и развитието на квантовите точки. Тези малки частици имат уникални свойства и сега разпространяват светлината си от телевизионни екрани и LED лампи. Те катализират химичните реакции и тяхната ясна светлина може да освети туморната тъкан за хирурга.

Квантовите точки ни дават нови възможности за създаване на цветна светлина.

Размерът има значение в наномащаба

В наносвета нещата се държат по различен начин. След като размерът на материята започне да се измерва в милионни от милиметъра, започват да се случват странни явления – квантови ефекти – които са трудни за възприемане. Всички лауреати на Нобелова награда за химия за 2023 г. са били пионери в изследването на наносвета. В началото на 80-те години Люис Брус и Алексей Екимов успяват да създадат – независимо един от друг – квантови точки, които са наночастици, толкова малки, че квантовите ефекти определят техните характеристики. През 1993 г. Мънгей Бауенди извършва революция в методите за производство на квантови точки, повишавайки тяхното качество – жизненоважна предпоставка за използването им в днешните нанотехнологии.

Благодарение на работата на лауреатите човечеството вече може да използва някои от особените свойства на наносвета. Квантовите точки вече се намират в търговски продукти и се използват в много научни дисциплини, от физика и химия до медицина.

Но ето каква е предисторията на Нобеловата награда за химия за 2023 г.

Фигура 2

Десетилетия наред квантовите явления в наносвета бяха само предсказание

Когато Алексей Екимов и Люис Брус създават първите квантови точки, учените вече знаеха, че на теория те трябва да имат необичайни характеристики.

Още през 1937 г. физикът Херберт Фрьолих (Herbert Fröhlich) предсказва, че наночастиците няма да се държат като другите частици. Той изследва теоретичните последици от известното уравнение на Шрьодингер, което показва, че когато частиците станат изключително малки, има по-малко място за електроните на материала. На свой ред електроните – които са едновременно вълни и частици – се уплътняват. Фрьолих разбира, че това ще доведе до драстични промени в свойствата на материала.

Изследователите са очаровани от това прозрение и, използвайки математически инструменти, успяват да предскажат множество зависещи от размера квантови ефекти. Учените се опитват да ги демонстрират в реалността, но това беше по-лесно да се каже, отколкото да се направи, защото трябва да изваят структура, която е около милион пъти по-малка от глава на карфица.

Малко хора са предполагали, че квантовите ефекти могат да бъдат използвани

Все пак през 70-те години на миналия век изследователите успяват да създадат такава наноструктура. Използвайки вид молекулен лъч, те създават обвивка с наноразмер на насипен материал. След това те успяват да покажат, че оптичните свойства на покритието варират в зависимост от това колко тънко е то, наблюдение, което съответства на прогнозите на квантовата механика.

Това е голям пробив, но експериментът изисква много високи технология.

Изследователите се нуждаят както от свръхвисок вакуум, така и от температури, близки до абсолютната нула, така че малко хора очакваха, че квантово-механичните явления ще бъдат използвани на практика. 

Но от време на време науката предлага неочакваното и този път повратната точка се дължи на изследванията на древно изобретение: цветното стъкло. Едно вещество може да даде различни цветове на стъклото

Най-старите археологически находки на цветно стъкло са от преди няколко хиляди години. Стъкларите са експериментирали как може да постигнат различни цветове на дъгата. Те добавят вещества като сребро, злато и кадмий и след това си играят с различни температури, за да произведат красиви нюанси на стъклото.

Когато през 19 и 20-ти век физиците започват да изследват оптичните свойства на светлината, те използват знанията на производителите на стъкло.

Физиците са използвали цветно стъкло, за да филтрират избрани дължини на вълната на светлината. За да оптимизират своите експерименти, те сами започват да произвеждат стъкло, което води до важни прозрения.

Едно от нещата, което научават, е, че едно вещество може да доведе до напълно различно оцветено стъкло.

Например смес от кадмиев селенид и кадмиев сулфид може да накара стъклото да стане или жълто, или червено – кое зависи от това колко силно е било нагрято разтопеното стъкло и как е било охладено.

В крайна сметка те успяват да покажат, че цветовете идват от частици, образуващи се вътре в стъклото и че цветът зависи от размера на частиците.

Горе-долу това е било състоянието на знанието в края на 70-те години на миналия век, когато един от тазгодишните лауреати, Алексей Екимов, наскоро защитил докторска степен, започва работа в Държавния оптичен институт С. И. Вавилов в тогавашния Съветски съюз.

Алексей Екимов картографира загадките на цветното стъкло

Фактът, че едно вещество може да доведе до различно оцветено стъкло, заинтересува Алексей Екимов, защото всъщност е нелогично. Ако нарисувате картина в кадмиево червено, тя винаги ще бъде кадмиево червена, освен ако не смесите други пигменти. И така, как едно вещество би могло да даде стъкло с различни цветове?

По време на докторската си степен Екимов изучава полупроводниците – важни компоненти в микроелектрониката. В тази област оптичните методи се използват като диагностични инструменти за оценка на качеството на полупроводниковия материал. Изследователите осветяват материала и измерват абсорбцията. Това разкрива от какви вещества е направен материалът и колко добре подредена е кристалната структура.

Екимов познава тези методи и започва да ги използва за изследване на цветното стъкло. След някои първоначални експерименти той решава систематично да произвежда стъкло, което е оцветено с меден хлорид. Той нагрява разтопеното стъкло до диапазон от температури между 500°C и 700°C, като променя времето за нагряване от 1 час до 96 часа. След като стъклото се охлади и втвърди, той го изследва с рентген. Разсеяните лъчи показват, че малки кристали от меден хлорид са се образували вътре в стъклото и производственият процес е повлиял на размера на тези частици. В някои от стъклените проби те са само около два нанометра, в други - до 30 нанометра.

Интересното е, че се оказа, че абсорбцията на светлина от стъклото се влияе от размера на частиците. Най-големите частици абсорбират светлината по същия начин, по който обикновено го прави медният хлорид, но колкото по-малки са частиците, толкова по-синя е светлината, която абсорбират. Като физик Екимов е добре запознат със законите на квантовата механика и бързо осъзнава, че е наблюдавал зависим от размера квантов ефект (фигура 3).

Така за първи път някой успява да произведе умишлено квантови точки – наночастици, които причиняват зависими от размера квантови ефекти.

През 1981 г. Екимов публикува откритието си в съветско научно списание, но то е трудно достъпно за изследователи от другата страна на Желязната завеса. Ето защо следващият тазгодишен лауреат на Нобелова награда за химия – Люис Брус – не е знаел за откритието на Алексей Екимов, когато през 1983 г. той става първият изследовател в света, открил зависещи от размера квантови ефекти в частици, плаващи свободно в разтвор.

Фигура 3

Брус показва, че странните свойства на частиците са квантови ефекти

По това време Люис Брус работи в Bell Laboratories в САЩ с дългосрочната цел да накара химичните реакции да се случват с помощта на слънчева енергия. За да постигне това, той използва частици кадмиев сулфид, които могат да улавят светлината и след това да използват нейната енергия за задвижване на реакции. Частиците са в разтвор и Брус ги направи много малки, защото това му дава по-голяма площ, върху която могат да протичат химичните реакции - колкото повече се издребнява даден материал, толкова по-голяма повърхност ще изложи на околната среда.

В процеса на работата си с тези малки частици Брус забелязва нещо странно – оптичните им свойства се променят, след като ги оставя на лабораторната маса за известно време. Той предполага, че това може да се дължи на факта, че частиците са нараснали, така че, за да потвърди подозренията си, той произвежда частици от кадмиев сулфид, които са с диаметър само около 4,5 нанометра. След това Брус сравнява оптичните свойства на тези новосъздадени частици с тези на по-големите частици, които имат диаметър около 12,5 нанометра. По-големите частици абсорбират светлина при същите дължини на вълната, както обикновено кадмиевият сулфид, но по-малките частици имат абсорбция, която се измества към синьо (фигура 3).

Точно като Екимов, Брус разбира, че е наблюдавал зависим от размера квантов ефект. Той публикува откритието си през 1983 г. и след това започва да изследва частици от други вещества. Проявява се същата закономерност – колкото по-малки са частиците, толкова по-синя светлина поглъщат.

Периодичната таблица придобива трето измерение

Тук може да се изкушите да попитате "Защо има значение дали абсорбцията на веществото е малко по-голяма към синьо? Защо това е толкова невероятно?"

Е, оптичните промени разкриват, че характеристиките на веществото са се променили напълно. Оптичните свойства на веществото се управляват от неговите електрони. Същите електрони управляват и други свойства на веществото, като способността му да катализира химични реакции или да провежда електричество. Така че, когато изследователите откриват променената абсорбция, те разбират, че по принцип разглеждат изцяло нов материал.

За да осъзнаете мащаба на това откритие, може да си представите, че периодичната таблица внезапно е придобила трето измерение. Свойствата на даден елемент не се влияят само от броя на електронните обвивки и колко електрони има външната обвивка, но на нанониво размерът също има значение. Следователно химик, който искаше да разработи нов материал, имаше още един фактор, с който да си поиграе – разбира се, това възбужда въображението на изследователите!

Остава само един проблем. Методите, които Брус е използвал за производството на нечастици, обикновено водят до непредсказуемо качество.

Квантовите точки са малки кристали (фигура 2) и тези, които могат да бъдат произведени по това време, често съдържат дефекти. Те също са с различни размери. Възможно е да се контролира как се образуват кристалите, така че частиците да имат определен среден размер, но ако изследователите искат всички частици в разтвора да бъдат приблизително с еднакъв размер, те трябва да ги сортират, след като са създадени. Това е труден процес, който спъва развитието.

Мънгей Бауенди прави революция в производството на квантови точки

Това е проблем, който тазгодишният трети лауреат на Нобелова награда за химия успява да реши. Мънгей Бауенди започва следдокторантското си обучение в лабораторията на Люис Брус през 1988 г., където тече интензивна работа за подобряване на методите, използвани за производство на квантови точки. Използвайки набор от разтворители, температури и техники, те експериментират с различни вещества, за да се опитат да образуват добре организирани нанокристали. И кристалите се подобряват, но все още не са достатъчно добри.

Бауенди обаче не се предава. Когато започва работа като ръководител на изследователска група в Масачузетския технологичен институт, MIT, той продължава усилията си да произвежда наночастици с по-високо качество.

Големият пробив идва през 1993 г., когато изследователската група инжектира веществата, които ще образуват нанокристали, в нагрят и внимателно подбран разтворител. Те инжектират толкова от веществата, колкото е необходимо за прецизно насищане на разтвора, което води до малки кристални ембриони, които започват да се образуват едновременно (фигура 4).

След това, чрез динамично променяне на температурата на разтвора, Мънгей Бауенди и неговата изследователска група успяват да отгледат нанокристали с определен размер. По време на тази фаза разтворителят помага да се даде на кристалите гладка и равна повърхност.

Нанокристалите, които Бауенди произвежда, са почти перфектни, което води до различни квантови ефекти. Тъй като производственият метод е лесен за използване, все повече и повече химици започват да работят с нанотехнологиите и да изследват уникалните свойства на квантовите точки.

Фигура 4.

Светлинните свойства на квантовите точки намират търговско приложение

Тридесет години по-късно квантовите точки вече са важна част от инструментариума на нанотехнологиите и се срещат в търговски продукти. Изследователите са използвали предимно квантови точки за създаване на цветна светлина. Ако квантовите точки са осветени със синя светлина, те абсорбират светлината и излъчват различен цвят. Модифицирането на размера на частиците дава възможност да се определи точно какъв цвят трябва да светят (фигура 3).

Светлинните свойства на квантовите точки се използват в компютърни и телевизионни екрани, базирани на QLED технология, където Q означава квантова точка. В тези екрани синята светлина се генерира с помощта на енергийно ефективни диоди, които бяха отличени с Нобеловата награда по физика за 2014 г. Квантовите точки се използват за промяна на цвета на част от синята светлина, превръщайки я в червена или зелена. Това прави възможно производството на трите основни цвята светлина, необходими на телевизионния екран.

По същия начин, квантовите точки се използват в някои LED лампи за регулиране на студената светлина на диодите. Тогава светлината може да стане енергизираща като дневна светлина или успокояваща като топлото сияние от затъмнена крушка. Светлината от квантовите точки може да се използва и в биохимията и медицината. Биохимиците прикрепят квантови точки към биомолекулите, за да картографират клетките и органите. Лекарите вече са започнали да изследват потенциала на квантови точки за проследяване на туморна тъкан в тялото. Химиците пък използват каталитичните свойства на квантовите точки, за да стимулират химични реакции.

Изглежда че квантовите точки носят огромна полза за човечеството, а съвсем отскоро се изследва техния потенциал. Изследователите вярват, че в бъдеще квантовите точки могат да допринесат за гъвкава електроника, миниатюрни сензори, по-тънки соларни клетки и може би криптирана квантова комуникация. Едно е сигурно – има още много да научим за невероятните квантови феномени. 

Източник: They added colour to nanotechnology (pdf), The Royal Swedish Academy of Sciences

Най-важното
Всички новини
За писането на коментар е необходима регистрация.
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!

Няма коментари към тази новина !