Красота квантовой точки: за что дали Нобелевскую премию по химии в 2023 году
Что такое квантовые точки
Квантовые точки — это полупроводниковые кристаллы, как правило сферической формы, обладающие размерами в нанометровом диапазоне. Их размеры настолько малы, что носители заряда (электроны и дырки) в них пространственно ограничены. В условиях подобного ограничения нанокристалла в нем возникает квантовый эффект. В результате, получая энергию извне за счет электро- или фотовозбуждения, электроны переходят в зону проводимости, преодолевая энергетический барьер — запрещенную зону. А обратный переход в основное состояние происходит, как правило, с излучением фотона. Именно это обуславливает цвет и яркость свечения квантовой точки. Смесь квантовых точек разного размера или состава обуславливает мультицветность и исключительную цветопередачу современных QLED ТВ.
Синтезируются они из неорганических материалов и представляют собой сульфиды, селениды, теллуриды, фосфиды d-металлов (свинца, кадмия, цинка и др.). Очень важно контролировать размер получаемого кристалла. Управляя размером нанокристалла, можно управлять эффективной шириной запрещенной зоны, а значит — и энергией излучаемых фотонов по всему диапазону видимого света. Благодаря этой особенности, нанокристаллы стали исключительно перспективным материалом в качестве светодиодов, компонентов солнечных элементов, агентов биовизуализации, биосенсоров и т.д.
История Нобелевского открытия
Полупроводниковые нанокристаллы впервые были синтезированы в стеклянной матрице в начале 80-х годов XX века советским ученым А. Екимовым, теоретизированы А. Эфросом (СССР, 1982 год). Позднее квантовые точки были получены и в коллоидном растворе Луи Брюсом (США, 1983 год). Интересно, что сам термин «квантовая точка» был введен спустя пять лет после открытия в 1986 году.
Эта премия как нельзя лучше иллюстрирует важность поддержки фундаментальных исследований. Практическое применение их на первый взгляд не очевидно. Так, в XIX веке в ответ на вопрос какая польза от электричества, заданным канцлером казначейства Великобритании, выдающийся английский физик и химик Майкл Фарадей ответил: «Вполне возможно сэр, что скоро вы сможете обложить это налогом». В отличие от приведенного исторического примера, при открытии квантовых точек, уверен, авторы совершенно точно не могли руководствоваться преследованием потенциальной фискальной функции своего изобретения, ими руководил фундаментальный интерес — как идеальный двигатель науки.
Изначально квантовые точки изучались исключительно в рамках чисто фундаментальных, научных задач. Об их применении не шло даже речи — это было исследование светового спектра в рамках наночастиц. А сегодня квантовые точки уже входят в повседневный обиход. Так что это один из самых ярких примеров ценности и важности поддержки фундаментальных исследований об устройстве мира.
Квантовая точка — это маленькая частица твердого тела, 1-5 нанометров, условно 10 атомов в диаметре. Если такую частицу сделать из полупроводника, у нее получатся совершенно замечательные свойства — в ней начнет меняться энергия электронов или, проще говоря, она начнет светиться. То есть у электронов в кристаллах меняется ширина запрещенной зоны. Запрещенная зона — область значений энергии, которыми не может обладать электрон в идеальном (бездефектном) кристалле. Она во многом определяет электрические и оптические свойства материалов. Если ширина запрещенной зоны меняется, кристаллы начинают поглощать или излучать свет при разных энергиях. Один и тот же материал будет светиться разными цветами.
Квантовые точки могут светиться при разных условиях. Самое простое — в ультрафиолете. У нас в лаборатории есть колбы с такими наночастицами, которые светятся красным при солнечном свете, просто находясь на столе. Можно также заставить квантовые точки светиться под действием электрического тока — это чуть более сложная задача, но уже вполне решаемая, такие квантовые точки создавались, в том числе, в нашей лаборатории.
Значение открытия для будущего
Во всем мире уже активно продаются телевизоры на квантовых точках. Безусловно, дисплей такого телевизора не состоит полностью из квантовых точек — до такого еще далеко. Там стоит пленка, которая содержит наночастицы, светящиеся красным. Пленка убирает излишнее синее свечение, делая изображение более качественным и насыщенным.
Квантовые точки находят полезное применение и в медицине. Модифицированные определенным образом, они могут подкрашивать опухоли в организме человека. Таким образом, хирург видит, вся ли она удалена.
Также с помощью квантовых точек можно делать очень стабильные светодиоды белого света.
Еще квантовые точки могут применяться в квантовом компьютере. Каждая квантовая точка будет поддерживать электрон в нужном состоянии и уже этот электрон можно перевести в запутанное состояние. Пока все это на уровне исследовательских разработок, но в будущем, возможно, будет внедрено.
В нашей лаборатории, например, мы работаем над «квантовыми ямами», которые помогут в будущем создать 3D-телевидение будущего. И это также базируется на том открытии, которое сделали Екимов и Брюс. В России пока не очень много исследовательских групп, которые работают над подобными темами, но, я надеюсь, что после этой Нобелевской премии ученых, которым это интересно, станет больше.
Ведь здесь химик может манипулировать материей с точностью в один атом! Наука пришла к сверхмаленьким уровням.
Кристалл полупроводника можно сделать толщиной в пять атомов, пришить к нему нужные молекулы, чтобы получить необходимые свойства. Также этот «лист» толщиной в пять атомов можно скрутить в нужном направлении. Получается, среди прочего, очень красиво...
Квантовые точки можно создавать химическими (это как раз то, что предложили Екимов и Брюс) или физическими методами.
Не углубляясь в детали, установка для создания их физическими методами, будет стоить десяток миллионов долларов, а химическими — потребуется, грубо говоря, только колба. В нашей лаборатории эти объекты могут синтезировать даже студенты!