Нобелівську премію з хімії за 2023 рік вручено за синтез квантових точок

17 октября 2023 г., 18:05

Нобелівську премію з хімії 2023 року отримали троє вчених за відкриття та синтез квантових точок, які допомогли здійснити революцію в нанотехнологіях.

Квантова точка (КТ, нанокристал, штучний атом) - фрагмент провідника або напівпровідника (наприклад InGaAs, CdSe, CdS або GaInP/InP), носії заряду (електрони або дірки) якого обмежені у просторі за всіма трьома вимірами. Розмір квантової точки має бути настільки малий, щоб квантові ефекти були суттєвими. Квантові точки широко використовуються в телевізійних екранах та світлодіодних лампах.

Премія порівну розподіляється між Мунгі Бавенді (Moungi Bawendi), Луїсом Брусом (Louis Brus) та Олексієм Єкімовим за відкриття унікальних властивостей наноматеріалів і способів їх виготовлення, що проклало шлях для широкого застосування в побутовій електроніці, біохімії та медицині.

Бавенді працює в Массачусетському технологічному інституті, Брус - в Колумбійському університеті, а Єкімов — головний науковий співробітник нью-йоркської компанії Nanocrystals Technology.

У хімії властивості матеріалу зазвичай визначаються його хімічним складом. Але коли матеріал має нанорозміри, як у випадку з квантовими точками, його розмір впливає на колір та інші властивості.

Це було відомо теоретично, але Єкімов зробив вирішальну експериментальну демонстрацію під час вивчення кольорового скла. Він визначив, що коли скло тонували хлоридом міді, його колір змінювався залежно від того, як довго і як гаряче воно нагрівалося. Рентгенівське зображення показало, що це сталося тому, що процес виробництва вплинув на розмір крихітних кристалів хлориду міді, які утворилися всередині скла. Відкриття Екімовим напівпровідникових квантових точок у скляній матриці показало, що можна спостерігати глибокі ознаки ефектів квантового розміру не лише в тонких плівках, але й у зважених незалежних наночастинках, отриманих відносно простим традиційним процесом виробництва скла. Публікація Олексія Єкімова про відкриття зʼявилася у 1981 році в радянському науковому журналі, але його дослідження не було широко відоме вченим по той бік залізної завіси.

Кілька років потому Луї Брус працював у Bell Laboratories у США, вивчаючи використання сонячної енергії для ведення хімічних реакцій крихітних частинок сульфіду кадмію, що плавають у розчині. Він помітив, що оптичні властивості частинок змінилися після того, як він на деякий час залишив їх на лабораторному столі, і припустив, що це тому, що частинки виросли. Він також зрозумів, що це пов’язано з квантовим ефектом, що залежить від розміру.

Брус представив модель, що описує вплив розміру частинок на окисно-відновні потенціали електронів і дірок для поверхневих хімічних реакцій. Використовуючи апроксимацію ефективної маси та потенціал сферичної моделі, а також враховуючи поляризацію навколишнього розчину, спричинену різницею діелектричної проникності між напівпровідником і розчином, вони передбачили вплив квантового розміру на фотохімічні окисно-відновні потенціали та на найнижчу енергію екситонів для напівпровідника. кристали розміром менше приблизно 5 нм. У подальшій роботі невдовзі після цього Брус також включив кулонівську взаємодію між електроном і діркою.

У 1993 році Мунгі Бавенді та його співробітники розробили метод синтезу квантових точок із набагато більш чітко визначеним розміром і високою оптичною якістю. Метод гарячого вприскування, розроблений Бавенді та його співробітниками, являє собою адаптовану та відтворювану хімічну стратегію для синтезу монодисперсних наночастинок з використанням широкого діапазону матеріальних систем. Цей метод дозволив отримати майже ідеальні частинки з контрольованим розміром і проклав шлях для їх більш широкого комерційного та медичного застосування.

Професор Гілл Рейд (Gillian Reid), президент Королівського хімічного товариства, сказала: «Визнання цієї роботи над квантовими точками є справді захоплюючим і показує, як хімію можна використовувати для вирішення низки проблем. Ці дивовижні наночастинки мають величезний потенціал для створення менших, швидших, розумніших пристроїв, підвищення ефективності сонячних панелей і яскравості екрана вашого телевізора».

«Велика наука отримує користь від різноманітних точок зору як частини колективних зусиль, і цьогорічна премія є чудовим прикладом цього: люди працюють у різних лабораторіях у різних країнах і підходять до проблеми з різних точок зору», — додала вона.

Гілл Рейд також відмітила, що командна робота є фундаментально важливим аспектом того, як насправді розвивається наука, і одним із найцікавіших!

Нобелівську премію з хімії за 2023 рік розділили троє вчених