Trzech naukowców, panowie Moungi Gabriel Bawendi, Louis Eugene Brus i Alexey Ivanovich Ekimov zostało nagrodzonych tegoroczną Nagrodą Nobla w dziedzinie chemii. Kapituła wyróżniła ich za odkrycie i syntezę kropek kwantowych. Czym są i jakie mogą mieć zastosowanie?
W środę czwartego października przyznana została Nagroda Nobla w dziedzinie chemii za wieloletnie przełomowe prace nad rozwojem nanotechnologii. Nowi laureaci odkryli i rozwinęli kropki kwantowe. Każda taka kropka złożona jest z kilku tysięcy atomów ściśniętych na przestrzeni zaledwie kilku nanometrów. Dla szybkiego porównania – różnica wielkości między kropką kwantową a piłką do piłki nożnej jest mniej więcej taka sama jak różnica między piłką a Ziemią. Przewodniczący komisji do spraw Nobla z chemii Johan Aqvist mając ustawione przed sobą pięć kolorowych kolb zawierających kropki kwantowe w roztworze, przyznał podczas konferencji prasowej ogłaszającej tegorocznych laureatów, że przez długi czas nikt nie sądził, że można faktycznie stworzyć tak małe cząsteczki.
Tegoroczni laureaci Nagrody Nobla w dziedzinie chemii, od lewej: Aleksiej Ekimow, Moungi Bawendi i Louis Brus.
Źródło: Jodi Hilton/Massachusetts Institute of Technology za pośrednictwem EPA i Shutterstock; Shannon Stapleton/Reuters
Tym razem ogłoszenie nie obyło się bez kontrowersji, ponieważ wiadomość o spodziewanym zwycięstwie laureatów wyciekły już środę rano do szwedzkich mediów, co jest wyjątkowo rzadkim zjawiskiem w przypadku Nagród Nobla. Następnie informacja została opublikowana przez Reutersa i Associated Press na kilka godzin przed oficjalnym ogłoszeniem przez Królewską Szwedzką Akademię Nauk, która przyznaje nagrodę. Szwedzkie media powoływały się na e-mail od Akademii, który został rzekomo wysłany wcześniej przez pomyłkę.
Kim są zwycięzcy?
Dr Bawendi, urodzony w roku tysiąc dziewięćset sześćdziesiątym pierwszym we Francji, jest profesorem w Massachusetts Institute of Technology i był studentem innego z laureatów dr Brusa, który urodził się w roku tysiąc dziewięćset czterdziestym trzecim w Cleveland i jest obecnie emerytowanym profesorem na Uniwersytecie Columbia. Z kolei Dr Ekimov, urodzony w tysiąc dziewięćset czterdziestym piątym roku w byłym Związku Radzieckim, był wcześniej głównym naukowcem w Nanocrystals Technology, firmie z siedzibą w Nowym Jorku.
Dlaczego komitet uznał, że wszyscy trzej naukowcy zasłużyli na nagrodę? Żeby lepiej zrozumieć zasadę działania kropek kwantowych musimy zacząć od wyjaśnienia kilku rzeczy. Elektrony istnieją w stałych odległościach od jądra atomu, przy czym wyższe poziomy energii odpowiadają większym odległościom. Gdy atomy są pobudzane, ich elektrony tymczasowo “skaczą” na większe odległości i wyższe poziomy. Kiedy wracają, elektrony uwalniają nadmiar energii w postaci fotonów. Podstawowa zasada mechaniki kwantowej mówi, że obiekty mogą zachowywać się jak cząstki lub jak fale i to samo dotyczy również elektronów: podobnie jak inne typy fal, mają one częstotliwość, która odnosi się do koloru światła, które emitują. Już w latach trzydziestych ubiegłego wieku naukowcy zdawali sobie sprawę, że ściśnięcie atomów w odpowiednio małym obszarze może zwiększyć częstotliwość ich elektronów i zmienić rodzaj światła, które materiał pochłania lub emituje. Tym obszarem jest właśnie kropka kwantowa.
Podsumowując kropki kwantowe mogą emitować lub pochłaniać światło o określonych długościach fal, co jest bezpośrednio powiązane z ich rozmiarem. Innymi słowy, manipulując rozmiarem kropki kwantowej, naukowcy mogą kontrolować kolory światła, które emituje.
To niezwykłe nanostruktury, które w ciągu ostatnich kilku dekad stały się przedmiotem intensywnych badań. Ich unikalne właściwości otwierają szerokie możliwości zastosowań, ale droga do osiągnięcia obecnego poziomu zaawansowania była długa i pełna wyzwań. W praktyce kropki kwantowe zaczęły pojawiać się na początku lat osiemdziesiątych, gdy technologia pozwoliła na produkcję tak małych struktur. Początkowo traktowane były jako swego rodzaju ciekawostka naukowa, choć szybko dostrzeżono ich potencjalne zastosowanie w różnych dziedzinach. W pierwszych latach badań głównym celem była ocena ich unikalnych właściwości fizycznych oraz potencjału w dziedzinie mikroelektroniki.
Adaptacja kropek kwantowych do praktycznych zastosowań napotykała wiele wyzwań. Po pierwsze, ogromnym problemem była ich stabilność Wczesne metody produkcji kropek kwantowych nie zawsze prowadziły do otrzymania stabilnych, jednorodnych próbek. Po drugie, bardzo trudne było uzyskanie kontroli nad rozmiarem i kształtem kropek, co wpływa bezpośrednio na ich właściwości. Dodatkowo, toksyczność niektórych kropek kwantowych, szczególnie tych zawierających kadm była poważnym problemem, w szczególności gdy rozważano ich zastosowanie w medycynie. Aby przezwyciężyć te wyzwania, naukowcy poświęcili lata, aby opracować nowe metody syntezy, modyfikacji powierzchni oraz funkcjonalizacji kropek kwantowych, wszystko po to żeby uczynić je w pełni użytecznymi dla różnorodnych zastosowań w wielu dziedzinach. Współczesne kropki kwantowe, choć korzeniami sięgają kilku dekad wstecz, są owocem ciężkiej pracy wielu naukowców, a w szczególności tej trójki, która została uhonorowana Nagrodą Nobla w tym roku. Dzięki ich wysiłkom technologia ta stała się jednym z kluczowych elementów współczesnej nanotechnologii.
Fiolki z kropkami kwantowymi dającymi żywe kolory. Na przykład kropka kwantowa na bazie kadmu wykazująca czystą, wysoce specyficzną reakcję w kolorze zielonym. Źródło: NASA
W latach siedemdziesiątych dr Ekimov zaczął badać, jak kolor szkła mógł różnić się w zależności od czasu jego podgrzewania. Odkrył wtedy, że podczas podgrzewania w szkle tworzą się kryształy chlorku miedzi. Im mniejsze były kryształy, tym bardziej zbliżały się do koloru niebieskiego. Niezależnie od niego ten sam efekt odkrył dr Brus z tym, że w swoich badaniach wykorzystał siarczek kadmu. To były pierwsze obserwacje efektu kwantowego, który zależał od wielkości, a nie od składu pierwiastkowego materiału. Jednak naukowcy musieli jeszcze dowiedzieć się, jak kontrolować ten efekt, aby wykorzystać go w praktycznych zastosowaniach. W latach dziewięćdziesiątych dr Bawendi odkrył, jak produkować kropki kwantowe o doskonałej jakości optycznej. Odkryta przez niego metoda była przełomem w rozwoju tej technologii.
Jednym z najbardziej fascynujących aspektów kropek kwantowych jest ich wszechstronność. W zależności od ich kształtu, rozmiaru i materiału, z którego są wykonane, mogą one posiadać różne właściwości, czyniąc je idealnymi do zastosowań w wielu dziedzinach nauki i technologii.
Kropki kwantowe w medycynie dają naukowcom możliwość badania procesów komórkowych na poziomie pojedynczej cząsteczki, co może znacząco poprawić diagnostykę i leczenie chorób, takich jak nowotwory. Ze względu na ich zdolność do emitowania światła w określonych długościach fal, kropki kwantowe mogą być wykorzystywane jako znaczniki fluorescencyjne w badaniach biologicznych. Na przykład, poprzez połączenie kropek kwantowych z konkretnymi cząsteczkami biologicznymi, możliwe jest późniejsze śledzenie tych cząsteczek w organizmie.
Kropki kwantowe oferują szereg korzyści w produkcji ogniw słonecznych, takich jak niskokosztowa produkcja w temperaturze pokojowej czy użycie tanich i powszechnie dostępnych materiałów. Jednak mimo tych zalet, technologia oparta na kropkach kwantowych nie osiągnęła jeszcze wystarczającej wydajności w przekształcaniu światła słonecznego w energię.
Jednym z najbardziej znanych obecnie zastosowań kropek kwantowych są ekrany telewizorów.
Kropki kwantowe, ponieważ są zarówno fotoaktywne, jak i elektroaktywne oraz posiadają unikalne właściwości fizyczne, mogą stać się w przyszłości jedną z podstawowych technologii wykorzystywanych przy produkcji wyświetlaczy nowej generacji. W porównaniu z organicznymi materiałami luminescencyjnymi używanymi w organicznych diodach świecących typu OLED materiały oparte na kropkach kwantowych mają, dłuższą żywotność, niższy koszt produkcji oraz niższe zużycie energii. Inną kluczową zaletą jest to, że kropki kwantowe można nanosić na praktycznie każdy substrat, co oznacza, że możemy nawet myśleć o drukowalnych i elastycznych, a nawet rozwijanych wyświetlaczach z kropkami kwantowymi we wszystkich rozmiarach produkowanymi na masową skalę.
Judith Giordan, prezes American Chemical Society, opisała wieloletnią pracę Bawendiego, Brusa i Ekimova jako idealnyy przykład czegoś, co zaczęło się od teorii, zostało udoskonalone w laboratoriach akademickich, a następnie zostało wprowadzone na rynek w celu praktycznego zastosowania. Jak stwierdziła, nie jest to tylko ezoteryczna nauka i rozważania teoretyczne, to naprawdę ma na celu pomóc ludziom.
Patronite
Zostań Patronem Astrofazy! Pomóż rozwijać projekt i zyskaj dostęp do bonusowych treści!Choć kropki kwantowe prezentują ogromny potencjał, wciąż istnieją wyzwania do pokonania. Aby w pełni wykorzystać ich możliwości w różnych dziedzinach, niezbędna jest zaawansowana technologia produkcyjna, która zapewni jednorodną jakość produkcji. Mimo pewnych problemów, przyszłość kropek kwantowych wygląda bardzo obiecująco i jest to z pewnością kierunek, którym warto podążać i rozwijać. Już teraz stanowią one ważny element w rozwoju nowych technologii i materiałów, a w miarę postępu badań i doskonalenia technik produkcyjnych, ich znaczenie będzie nadal rosło, a obecność w naszym życiu codziennym będzie coraz powszechniejsza.
Kropki kwantowe są jednym z najbardziej fascynujących i wszechstronnych narzędzi w świecie nanotechnologii. Ich zdolność do manipulowania światłem, unikalne właściwości elektroniczne oraz potencjalne zastosowania w medycynie i przemyśle czynią je jednym z najważniejszych odkryć dwudziestego pierwszego wieku. Tak więc czy uhonorowanie Nagrodą Nobla trzech osób, które przez lata były najbardziej zaangażowane w ich rozwój jest uzasadnione? Ja uważam, że jak najbardziej i nie pozostaje więc nic tylko pogratulować.