Четверг, 22 февраля, 2024

16+

«Искусственные атомы»: за что присудили Нобелевскую премию по химии

Время на чтение 6 мин.

Продолжаем цикл статей о лауреатах Нобелевской премии 2023 года. В прошлом материале мы рассказывали о том, как физикам удалось «подсмотреть» у природы механизм генерации аттосекундных световых импульсов, которые позволяют изучать поведение отдельных электронов в атоме. Сегодня поговорим об объектах, с которыми сталкиваются все владельцы гаджетов с QLED-дисплеями (заодно расскажем, почему QLED — это не совсем QLED). Мунги Бавенди, Луис Брюс и Алексей Екимов получили в этом году премию по химии за «открытие и синтез квантовых точек».

На границе миров

Исходя из размера объектов, всю нашу Вселенную можно разделить на микро- и макромир. Микромир — это уровень молекул, атомов, элементарных частиц. Все, что больше, — это уже макромир. Если говорить о точных размерах, граница между мирами проходит примерно на уровне 10 нанометров (10–8 метров). Ниже этого предела вступают в действие законы не классической, а квантовой физики, которые так сложны и контринтуитивны, что разобраться в них под силу не каждому.

Разумеется, в мире нет точных границ, и на пересечении явлений всегда есть некая переходная зона. На границе микро- и макромира есть объекты, которые проявляют как квантовые, так и классические свойства. И эти свойства можно использовать.

Квантовые точки — это полупроводниковые нанокристаллы, которые обладают уникальными оптическими и электронными свойствами. Они имеют размер всего несколько нанометров, что позволяет им вести себя как квантово-механические объекты.

Эти точки описывают как «искусственные атомы», потому что их электроны находятся в дискретных энергетических состояниях (то есть могут принимать несколько определенных энергетических состояний, в зависимости от которых изменяются их свойства), как и в настоящих атомах. В результате их можно использовать для хранения и обработки информации, подобно тому, как атомы используются в молекулах.

Важной особенностью квантовых точек является то, что их свойства, такие как цвет свечения или энергетический спектр, можно контролировать, изменяя их размер и форму. Это делает их перспективными для применения в различных областях, таких как оптоэлектроника, биосенсоры и солнечные элементы.

Не просто стеклышки

В конце 1970-х годов физик Алексей Екимов работал в Государственном оптическом институте имени Вавилова, экспериментируя с производством цветных стекол. Используя хлорид меди, Екимов заметил, что он может окрашивать стекло в разные цвета в зависимости от температуры материала. Исследуя образец, ученый обнаружил в нем нанокристаллы хлорида меди, самые крупные из них поглощали свет той же длины волны, что макроскопические кристаллы вещества. Но чем меньше становился нанокристалл, тем меньшей длины волны свет он поглощал.

Таким образом, Екимов заключил, что размер нанокристаллов влияет на цвет вещества. Вместе с Алексеем Онущенко физик в 1983 году опубликовал статью «Квантовый размерный эффект в трехмерных микрокристаллах полупроводников» (pdf). Так как советская наука в то время практически не контактировала с западной, открытие осталось по эту сторону железного занавеса. В 1984 году сотрудник Bell Labs Луис Брюс опубликовал статью о полупроводниковых кристаллах в коллоидных растворах. Спустя время открытые Екимовым и Брюсом независимо друг от друга объекты получили название «квантовые точки».

Отделить горох от чечевицы

Хотя свойства квантовых точек оказались очень соблазнительными для практического применения, долгое время исследователи не могли получить нанообъекты в нужном размере и количестве. Методы, разработанные Екимовым и Брюсом, позволяли получать некое среднее значение, но разброс размеров конкретных точек был довольно велик. Поэтому, чтобы получить объекты, поглощающие свет определенной длины волны, физикам приходилось практически вручную сортировать нанообъекты — а это работа посложнее той, которую задали Золушке. Так что не могло идти и речи о массовом производстве.

Феей-крестной для квантовых точек стал студент Луис Брюса Мунги Бавенди. Через тонкую иглу он впрыскивал в раствор селенид кадмия, который тут же образовывал нанокристаллы. Изменяя температуру раствора, Бавенди смог регулировать размер квантовых точек. Открытый физиком метод быстрой инъекции до сих пор широко используется в промышленности.

Почему QLED — не совсем QLED

Применение квантовых точек, с которым сталкивалось большинство из нас, — это QLED-дисплеи. Так как размер квантовых точек довольно четко коррелирует с цветом, который они излучают, то такие дисплеи расширяют диапазон отображаемых оттенков.

Впрочем, надо понимать, что в QLED-дисплеях нет сплошного слоя квантовых точек. Оказалось, что он и не нужен — для получения большего цветового охвата и чистых спектральных цветов достаточно добавить к обычной жидкокристаллической матрице светодиодную подсветку на квантовых точках.

Вообще же квантовые точки находят применение в различных областях. Их используют для создания светодиодов и лазеров, которые могут работать при более низких температурах и потреблять меньше энергии, чем традиционные устройства.

Квантовые точки могут увеличить эффективность солнечных элементов, улучшая их способность поглощать свет и преобразовывать его в электричество. Так, исследователи из Политехнической школы в Лозанне и Корейского института энергетических исследований применили квантовые точки из оксида олова в качестве электронно-транспорта слоя солнечной панели (обычно для этого используют диоксид титана). Разработчики достигли почти рекордного КПД 25,7 %.

Квантовые точки для лечения рака

Биосенсоры на квантовых точках могут обнаруживать даже очень низкие концентрации определенных веществ в образце. Также их можно применять в качестве биомаркеров: благодаря размерам они проникают в клетки и окрашивают их в разные цвета — так можно диагностировать, например, раковые опухоли. И не только диагностировать, но и лечить.

Фотодинамическая терапия — метод лечения рака, основанный на том, что определенное вещество — фотосенсибилизатор — поглощает свет и преобразует его в энергию. Эта энергия запускает химические реакции с другими веществами, уничтожающими опухоль. Получается щадящий метод лечения рака, а в качестве фотосенсибилизатора могут выступать квантовые точки.

Квантовые компьютеры

Отдельная большая тема — хранение информации с помощью квантовые точек в квантовых компьютерах. Ученые из США и Нидерландов уже продемонстрировали, как можно реализовать простейшие квантовые алгоритмы с помощью кубитов, основанных на квантовых точках.

Свойства квантовых точек найдут применение и в квантовой криптографии. Ученые из Национальной лаборатории Лос-Аламоса уже разработали новый класс квантовых точек, которые могут испускать одиночные фотоны, причем ученые могут менять длину волны этой частицы.

А начиналось все с простого окрашенного стекла…

Оставьте ответ

Пожалуйста, введите свой комментарий!
Пожалуйста, введите ваше имя здесь