Нобелівська премія з хімії 2023
Нобелівська премія з хімії 2023
27 листопада 2023, 16:26
Монгі Г. Бавенді , Луї Е. Брус і Олексій Єкімов отримали Нобелівську премію з хімії 2023 року за відкриття та розробку квантових точок. Ці крихітні частинки мають унікальні властивості і тепер поширюють світло від екранів телевізорів і світлодіодних ламп. Вони каталізують хімічні реакції, і їхнє чітке світло може висвітлити тканину пухлини для хірурга.
Вони додали кольору нанотехнологіям
«Тото, у мене таке відчуття, що ми більше не в Канзасі», — класична цитата з фільму « Чарівник країни Оз» . Дванадцятирічна Дороті непритомніє на своєму ліжку, коли її будинок зносить потужний торнадо, але коли будинок знову приземляється, і вона виходить за двері, її пес Тото на руках, усе змінюється. Раптом вона потрапляє в чарівний, технічно кольоровий світ.
Якби чарівний торнадо увірвався в наше життя й зменшив усе до нанорозмірів, ми майже напевно були б настільки ж здивовані, як Дороті в країні Оз. Наше оточення стане сліпуче барвистим і все зміниться. Наші золоті сережки раптом заблищали блакитним, а золота каблучка на нашому пальці сяяла рубіново-червоним. Якби ми спробували щось посмажити на газовій плиті, сковорідка могла розплавитися. А наші білі стіни, фарба яких містить діоксид титану, почнуть утворювати багато активних форм кисню.
Розмір має значення на наномасштабі
У наносвіті все справді поводиться інакше. Коли розмір матерії починає вимірюватися мільйонними частками міліметра, починають відбуватися дивні явища – квантові ефекти – які кидають виклик нашій інтуїції. Усі лауреати Нобелівської премії з хімії 2023 року були піонерами у дослідженні наносвіту. На початку 1980-х років Луї Брюсу та Олексію Єкімову вдалося створити – незалежно один від одного – квантові точки, які являють собою наночастинки настільки крихітні, що їхні характеристики визначаються квантовими ефектами. У 1993 році Мунгі Бавенді здійснив революцію в методах виробництва квантових точок, зробивши їхню якість надзвичайно високою — життєво важливою передумовою для їх використання в сучасних нанотехнологіях.
Завдяки роботі лауреатів людство тепер може використовувати деякі особливі властивості наносвіту. Зараз квантові точки зустрічаються в комерційних продуктах і використовуються в багатьох наукових дисциплінах, від фізики та хімії до медицини, але ми випереджаємо себе. Давайте розкриємо передісторію Нобелівської премії з хімії 2023 року.
Десятиліттями квантові явища в наносвіті були лише передбаченнями
Коли Олексій Єкімов і Луїс Брус створили перші квантові точки, вчені вже знали, що теоретично вони можуть мати незвичайні характеристики. У 1937 році фізик Герберт Фреліх уже передбачив, що наночастинки не будуть поводитися так, як інші частинки. Він досліджував теоретичні наслідки відомого рівняння Шредінгера , яке показує, що коли частинки стають надзвичайно малими, стає менше місця для електронів матеріалу. У свою чергу, електрони, які є і хвилями, і частинками, стискаються разом. Фреліх зрозумів, що це призведе до різких змін властивостей матеріалу.
Дослідники були зачаровані цим розумінням і, використовуючи математичні інструменти, їм вдалося передбачити численні залежні від розміру квантові ефекти. Вони також працювали, щоб спробувати продемонструвати їх у реальності, але це було легше сказати, ніж зробити, тому що їм потрібно було виліпити структуру, яка була приблизно в мільйон разів менша за головку шпильки.
Мало хто думав, що квантові ефекти можна використовувати
І все ж у 1970-х роках дослідникам таки вдалося створити таку наноструктуру. Використовуючи тип молекулярного пучка, вони створили нанотонкий шар матеріалу покриття поверх сипучого матеріалу. Коли складання було завершено, вони змогли показати, що оптичні властивості покриття змінювалися залежно від того, наскільки воно було тонким, спостереження, яке відповідало прогнозам квантової механіки.
Це був великий прорив, але експеримент вимагав дуже передових технологій. Дослідникам був потрібен і надвисокий вакуум, і температури, близькі до абсолютного нуля, тому мало хто очікував, що квантово-механічні явища знайдуть практичне застосування. Однак час від часу наука пропонує несподіване, і цього разу поворотний момент стався завдяки дослідженням стародавнього винаходу: кольорового скла.
Одна речовина може надавати склу різні кольори
Найдавніші археологічні знахідки кольорового скла датуються кількома тисячами років. Склярі випробували свій шлях до розуміння того, як можна виготовляти скло всіх кольорів веселки. Вони додавали такі речовини, як срібло, золото та кадмій, а потім грали з різними температурами, щоб отримати красиві відтінки скла.
У дев'ятнадцятому і двадцятому століттях, коли фізики почали досліджувати оптичні властивості світла, знання склоробів були використані. Фізики могли б використовувати кольорове скло, щоб фільтрувати вибрані довжини хвилі світла. Щоб оптимізувати свої експерименти, вони почали самостійно виробляти скло, що привело до важливого розуміння. Одне, що вони дізналися, це те, що одна речовина може призвести до абсолютно різнокольорового скла. Наприклад, суміш селеніду кадмію та сульфіду кадмію може змусити скло стати або жовтим, або червоним — яким воно стане, залежатиме від того, наскільки розплавлене скло було нагріте та як воно охолоджено. Згодом вони також змогли показати, що кольори походять від частинок, які утворюються всередині скла, і що колір залежить від розміру частинок.
Приблизно таким був стан знань наприкінці 1970-х років, коли один із цьогорічних лауреатів, нещодавній докторант Олексій Єкімов, почав працювати в Державному оптичному інституті імені С. І. Вавілова в тодішньому Радянському Союзі.
Олексій Єкімов розкриває таємниці кольорового скла
Те, що одна речовина може призвести до різнокольорового скла, зацікавило Олексія Єкімова, бо це насправді нелогічно. Якщо ви намалюєте малюнок кадмієво-червоним, він завжди буде кадмієво-червоним, якщо ви не змішуєте інші пігменти. Отже, як одна речовина може надати склу різних кольорів?
Під час отримання докторського ступеня Єкімов вивчав напівпровідники – важливі компоненти мікроелектроніки. У цій галузі оптичні методи використовуються як діагностичні засоби для оцінки якості напівпровідникового матеріалу. Дослідники освітлюють матеріал і вимірюють поглинання. Це показує, з яких речовин виготовлений матеріал і наскільки добре впорядкована кристалічна структура.
Єкімов був знайомий з цими методами, тому почав використовувати їх для дослідження кольорового скла. Після кількох початкових експериментів він вирішив систематично виробляти скло, тоноване хлоридом міді. Він нагрівав розплавлене скло до діапазону температур від 500°C до 700°C, змінюючи час нагрівання від 1 години до 96 годин. Коли скло охололо й затверділо, він зробив рентгенівське дослідження. Розсіяні промені показали, що всередині скла утворилися крихітні кристали хлориду міді, а виробничий процес вплинув на розмір цих частинок. У деяких зразках скла вони становили лише близько двох нанометрів, в інших – до 30 нанометрів.
Цікаво, що виявилося, що на світлопоглинання скла впливав розмір частинок. Найбільші частинки поглинають світло так само, як це зазвичай робить хлорид міді, але чим менші частинки, тим блакитніше світло вони поглинають. Як фізик Єкімов був добре знайомий із законами квантової механіки і швидко зрозумів, що спостерігав квантовий ефект, який залежить від розміру (рис. 3).
Це був перший випадок, коли комусь вдалося навмисно створити квантові точки – наночастинки, які викликають залежні від розміру квантові ефекти. У 1981 році Єкімов опублікував своє відкриття в радянському науковому журналі, але дослідникам по той бік залізної завіси це було важко отримати. Тому черговий цьогорічний лауреат Нобелівської премії з хімії – Луї Брус – не знав про відкриття Олексія Єкімова, коли в 1983 році він був першим дослідником у світі, який виявив залежні від розміру квантові ефекти в частинках, які вільно плавають у розчині.
Брус показує, що дивні властивості частинок є квантовими ефектами
Луї Брус працював у Bell Laboratories у США з довгостроковою метою змусити хімічні реакції відбуватися за допомогою сонячної енергії. Щоб досягти цього, він використовував частинки сульфіду кадмію, які можуть вловлювати світло, а потім використовувати його енергію для здійснення реакцій. Частинки були в розчині, і Брус зробив їх дуже маленькими, тому що це дало йому більшу площу, на якій могли відбуватися хімічні реакції; чим більше матеріал подрібнено, тим більшу площу поверхні він піддасть впливу навколишнього середовища.
Під час роботи з цими крихітними частинками Брус помітив щось дивне – їхні оптичні властивості змінилися після того, як він на деякий час залишив їх на лабораторному столі. Він припустив, що це могло бути тому, що частинки виросли, тому, щоб підтвердити свої підозри, він виготовив частинки сульфіду кадмію, які мали приблизно 4,5 нанометра в діаметрі. Потім Брус порівняв оптичні властивості цих нещодавно створених частинок з оптичними властивостями більших частинок, які мали діаметр близько 12,5 нанометрів. Більші частинки поглинають світло на тих самих довжинах хвиль, що й сульфід кадмію, але менші частинки мають поглинання, яке зміщується в бік синього (рис. 3).
Як і Єкімов, Брус розумів, що спостерігав квантовий ефект, що залежить від розміру. Він опублікував своє відкриття в 1983 році, а потім почав досліджувати частинки, виготовлені з ряду інших речовин. Схема була такою ж – чим менші частинки, тим блакитніше світло вони поглинали.
Періодична таблиця отримала третій вимір
Тут у вас може виникнути спокуса запитати: «Чому це має значення, якщо абсорбція речовини трохи більше синього кольору?» Чому це так дивно?»
Що ж, оптичні зміни показали, що характеристики речовини повністю змінилися. Оптичні властивості речовини визначаються її електронами. Ті самі електрони також керують іншими властивостями речовини, такими як її здатність каталізувати хімічні реакції або проводити електрику. Отже, коли дослідники виявили зміну поглинання, вони зрозуміли, що, в принципі, вони дивляться на абсолютно новий матеріал.
Якщо ви хочете зрозуміти масштаб цього відкриття, ви можете уявити, що періодична таблиця раптом отримала третій вимір. На властивості елемента впливає не лише кількість електронних оболонок і кількість електронів у зовнішній оболонці, але на нанорівні розмір також має значення. Таким чином, хімік, який хотів розробити новий матеріал, мав ще один фактор, з яким можна було пограти – звичайно, це лоскотало уяву дослідників!
Була лише одна проблема. Методи, які Брус використовував для виготовлення наночастинок, зазвичай призводили до непередбачуваної якості. Квантові точки — це крихітні кристали (рис. 2), і ті, які можна було виготовити в той час, часто містили дефекти. Вони також були різного розміру. Можна було контролювати, як утворювалися кристали, щоб частинки мали певний середній розмір, але якщо дослідники хотіли, щоб усі частинки в розчині були приблизно однакового розміру, вони повинні були сортувати їх після того, як вони були виготовлені. Це був важкий процес, який гальмував розвиток.
Moungi Bawendi робить революцію у виробництві квантових точок
Це була проблема, яку вирішив вирішити третій цьогорічний лауреат Нобелівської премії з хімії. Мунгі Бавенді розпочав свою аспірантуру в лабораторії Луїса Брюса в 1988 році, де велася інтенсивна робота над вдосконаленням методів виробництва квантових точок. Використовуючи низку розчинників, температур і методів, вони експериментували з різними речовинами, щоб спробувати сформувати добре організовані нанокристали. І кристали ставали кращими, але все ще недостатньо хорошими.
Проте Бавенді не здавався. Коли він почав працювати дослідником у Массачусетському технологічному інституті, Массачусетський технологічний інститут, він продовжував свої зусилля з виробництва наночастинок вищої якості. Головний прорив стався в 1993 році, коли дослідницька група ввела речовини, які утворювали нанокристали, в нагрітий і ретельно підібраний розчинник. Вони ввели стільки речовин, скільки було необхідно для точного насичення розчину, що призвело до того, що крихітні кристалічні ембріони почали формуватися одночасно (рис. 4).
Потім, динамічно змінюючи температуру розчину, Мунгі Бавенді та його дослідницькій групі вдалося виростити нанокристали певного розміру. Під час цієї фази розчинник допоміг надати кристалам гладку та рівну поверхню.
Нанокристали, які виготовив Бавенді, були майже ідеальними, створюючи чіткі квантові ефекти. Оскільки метод виробництва був простим у використанні, він був революційним – все більше і більше хіміків почали працювати з нанотехнологіями та почали досліджувати унікальні властивості квантових точок.
Світлові властивості квантових точок знаходять комерційне використання
Через тридцять років квантові точки стали важливою частиною інструментарію нанотехнологій і їх можна знайти в комерційних продуктах. Дослідники в основному використовували квантові точки для створення кольорового світла. Якщо квантові точки освітлені синім світлом, вони поглинають світло та випромінюють інший колір. Зміна розміру частинок дозволяє точно визначити, яким кольором вони повинні світитися (рис. 3).
Світлові властивості квантових точок використовуються в екранах комп’ютерів і телевізорів на основі технології QLED, де Q означає квантову точку. У цих екранах синє світло генерується за допомогою енергоефективних діодів, які були відзначені Нобелівською премією з фізики 2014 року . Квантові точки використовуються для зміни кольору частини синього світла, перетворюючи його на червоне або зелене. Це дає змогу створювати три основні кольори світла, необхідні на телевізійному екрані.
Подібним чином квантові точки використовуються в деяких світлодіодних лампах для регулювання холодного світла діодів. Тоді світло може стати енергійним, як денне світло, або заспокійливим, як тепле сяйво тьмяної лампочки. Світло від квантових точок також можна використовувати в біохімії та медицині. Біохіміки прикріплюють квантові точки до біомолекул для картографування клітин і органів. Лікарі почали досліджувати потенційне використання квантових точок для відстеження пухлинної тканини в організмі. Хіміки замість цього використовують каталітичні властивості квантових точок для приводу хімічних реакцій.
Таким чином, квантові точки приносять найбільшу користь людству, і ми тільки почали досліджувати їхній потенціал. Дослідники вважають, що в майбутньому квантові точки можуть сприяти створенню гнучкої електроніки, мініатюрних датчиків, більш тонких сонячних батарей і, можливо, зашифрованого квантового зв’язку. Одне можна сказати напевно – ще багато чого потрібно дізнатися про дивовижні квантові явища. Тож якщо є 12-річна Дороті, яка шукає пригод, наносвіт може запропонувати багато.
