Объявление лауреатов Нобелевской премии по химии 2023 года состоялось в среду 4 октября. В этом году премия присуждена «за открытие и синтез квантовых точек». Лауреатами стали Мунги Бавенди (Moungi G. Bawendi, Массачусетский технологический институт, США), Луис Брюс (Louis E. Brus, Колумбийский университет, США) и Алексей Екимов (Alexei I. Ekimov, Nanocrystals Technology Inc., США).
Квантовые точки, которые также называют полупроводниковыми нанокристаллами — это структуры, в которых движение электронов ограничено по всем трём измерениям. Малые размеры доступного пространства (несколько нанометров) приводят к тому, что в таких структурах существенную роль играют квантовые эффекты. Более того, изменяя размеры такой структуры, можно влиять на её свойства, в частности, регулировать длину волны излучения электрона. Такие выводы следуют из законов квантовой механики и давно известны физикам. Но от создания квантовой механики до получения подобных наноразмерных структур прошло несколько десятков лет, пока не подоспели соответствующие технологии. Долгое время считалось, что изготовление таких материалов и практическое использование подобных эффектов — дело отдалённого будущего.
«Квантовая точка» может иметь размеры в несколько (10—100) атомов. Чем больше размер такой структуры и, таким образом, чем больше места может занимать электрон, тем «краснее» спектр её свечения — потому что в этом случае больше длина волны излучения. Наоборот, при уменьшении размера квантовой точки спектр её излучения сдвигается в сторону синего цвета. Контролируя размер таких наноструктур, можно добиваться их свечения с заданным оттенком цвета. Основное технологическое преимущество этих структур — высокая яркость свечения, поэтому их основное применение на сегодня — в современных экранах электронных устройств.
В начале 1980-х годов Алексей Екимов впервые получил эти квантовые эффекты в стекле. Он работал с наночастицами хлорида меди и показал, что размеры такой наноструктуры влияют на её свойства: от размеров квантовых точек зависел цвет стекла с такими примесями. Через несколько лет Луи Брюс впервые продемонстрировал квантовые эффекты, зависящие от размеров наноструктуры на примере частиц, взвешенных в жидкости. Он отметил, что длина волны поглощённого света зависит от размера наночастицы: чем меньше структура, тем ближе линии поглощения к синему концу видимого спектра. Было ясно, что речь идёт о квантовых эффектах, зависящих от размера системы. В 1983 году он опубликовал это открытие и начал систематическое изучение явления в различных материалах.
Но между лабораторным эффектом и его практическим использованием оставался технологический разрыв. Методы, которые использовались для изготовления таких наноструктур, давали на выходе непредсказуемое качество и собственно размер частиц. В лабораторных условиях можно контролировать условия роста кристаллов, тем самым получая частицы некоторого заданного размера в среднем, но в каждой такой «партии» разброс по размерам и качеству был слишком велик, чтобы думать о «внедрении в народное хозяйство». Поэтому дальнейшие усилия были направлены и на разработку методов получения квантовых точек заданных размеров. В частности, этим занимался и будущий третий лауреат, Мунги Бавенди, который в 1988 году начал работу в лаборатории Луи Брюса на постдоке. Наконец в 1993 году именно ему и его группе уже в Массачусетском технологическом институте удалось совершить технологический прорыв. Он разработал химический метод для получения таких наноструктур (почти) идеального качества — настолько, что новая технология наконец доросла до промышленного использования. Материал, из которого затем получались зародыши нанокристаллов, впрыскивался в подогретый растворитель в количестве, точно соответствующем порогу насыщения. Таким образом кристаллы начинали рост одновременно и росли синхронно. Чем дольше подогревать растворитель, тем большего размера получаются кристаллы, соответственно тем «краснее» их спектр излучения.
Сейчас квантовые точки применяются в экранах компьютерных мониторов и телевизоров на основе технологии QLED («дисплеи на квантовых точках»). Они используются для придания цветовых оттенков в некоторых моделях люминесцентных ламп, а также в биохимии и медицине для исследования биологических тканей. Квантовые точки рассматриваются как один из кандидатов для представления кубитов в квантовых компьютерах. Такие структуры в будущем могут найти применение в гибкой электронике, солнечных панелях, датчиках, а также в системах квантового шифрования информации. В любом случае технологии с использованием квантовых точек находятся в процессе становления, и мы ещё изучаем потенциальные возможности таких наноструктур.
***
Церемония объявления нобелевских лауреатов по химии 2023 года:
