Нобелевская премия по химии 2023
была сегодня присуждена троим исследователям - Мунги Бавенди (Moungi G. Bawendi), Луису Брюсу (Louis E. Brus) и Алексею Екимову "за открытие и разработку квантовых точек". С чем я их сердечно поздравляю.
Это награждение было мне особенно приятно, поскольку с двумя из них - американцем Луисом Брюсом и советским учёным Алексеем Екимовым я знаком лично. Мне также приятно, что я сам, а также мои коллеги kaktus_okamenel и другие принимали непосредственное участие в создании квантовых точек и их исследовании. Поэтому это повод поздравить и нас всех.
В частности с kaktus_okamenel и другими мы получали 8-ми атомные кластеры серебра в цеолите, которые вдруг оказались совсем не металлическими, а полупроводниковыми частицами или квантовыми точками с характерными пиками возбуждения экситонов в оптических спектрах поглощения света. Вот таким небольшим, но, думаю, очень важным был наш общий вклад в то, что нобелевская премия наконец была присуждена за работу с квантовыми точками. Пусть эта премия присуждена и не нам лично. А я ещё удивлялся, чего это наша коллективная работа "Zeolites and related microporous materials: State of art" 1994 года вдруг была кем-то процитирована на прошлой неделе.)
Об удивительных свойствах кластеров серебра я писал в ЖЖ-статьях "Серебро, "изгоняющее бесов"", "Фотосинтез и серебряная фотография", "Оптические свойства металлических частиц и малоатомных кластеров".
А сегодня я предлагаю вашему вниманию перевод статьи "Nobel Prize Honors Inventors of ‘Quantum Dot’ Nanoparticles" из журнала QuantaMagazine, посвящённую нобелевским лауреатам.
[Spoiler (click to open)]
Представьте себе нанокристалл, настолько крошечный, что он ведет себя как атом. Мунги Дж. Бавенди, Луи Э. Брус и Алексей И. Екимов были удостоены Нобелевской премии по химии 2023 года за открытие категории таких мельчайших чудес, теперь известных как «квантовые точки», и за разработку точного метода их синтеза. Квантовые точки уже играют важную роль в электронике и биомедицине, например, в доставке лекарств, визуализации и медицинской диагностике, и имеют более многообещающие применения в будущем, заявил Нобелевский комитет в своем объявлении о присуждении премии.
Квантовые точки, иногда называемые искусственными атомами, представляют собой нанокристаллы из кремния и других полупроводниковых материалов шириной всего несколько нанометров - достаточно маленькие, чтобы проявлять квантовые свойства так же, как отдельные атомы, хотя их размер составляет сотни или несколько тысяч атомов. Поскольку электроны могут захватываться на определенных энергетических уровнях внутри себя, нанокристаллы могут излучать только определенные длины волн света. Контролируя размер частиц, исследователи могут точно запрограммировать, каким цветом будут мигать квантовые точки при их стимуляции.
Сегодня утром на сцене при объявлении о вручении Нобелевской премии Йохан Аквист, председатель Нобелевского комитета по химии, продемонстрировал серию из пяти колб, каждая из которых содержит жидкость, светящуюся разным цветом. Жидкости содержали жидкие растворы квантовых точек размером всего в несколько миллионных долей миллиметра. При таком крошечном размере «квантовая механика начинает вытворять всевозможные трюки», - сказал Аквист.
Квантовая механика предсказывает, что если вы возьмете электрон и втисните его в небольшое пространство, волновая функция электрона сожмется, объяснил Хайнер Линке, член Нобелевского комитета по химии и профессор нанофизики. Чем меньше вы сделаете пространство, тем больше будет энергия электрона, а значит, он сможет отдать больше энергии фотону. По сути, размер квантовой точки определяет, каким цветом она светится. Мельчайшие частицы светятся синим, а более крупные - желтым и красным.
По словам Аквиста, долгое время ученые считали, что они не могут сделать частицы настолько маленькими. «Но лауреатам этого года это удалось». В 1981 году в Государственном оптическом институте имени С.И. Вавилова в Советском Союзе Екимов был первым, кто продемонстрировал, что это возможно: добавляя медь и хлор в стекло, он показал, что хлорид меди образуется в виде нанокристаллов и что цвет стекла меняется в зависимости от размера частиц. В 1983 году в Bell Labs Брюс сделал второе открытие этих частиц - на этот раз свободно плавающих в жидком растворе - когда он экспериментировал с использованием света для запуска химических реакций.
Брус, сейчас работающий в Колумбийском университете, также заметил, что размер меняет оптические свойства наночастиц. «Это вызвало большой интерес», - сказал Линке. Потенциальная оптоэлектронная полезность таких частиц не была упущена из виду технологами, которые последовали примеру Марка Рида из Йельского университета, назвав их «квантовыми точками». В течение следующего десятилетия исследователи изо всех сил пытались точно контролировать размер и качество этих частиц.
Однако в 1993 году Бавенди изобрел «гениальный химический метод» создания идеальных наночастиц, сказал Аквист. Он смог контролировать точный момент времени, когда формировались кристаллы, а затем смог контролируемым образом остановить и возобновить их дальнейший рост. Его открытие сделало квантовые точки широко полезными в различных приложениях.
Область применения этих наночастиц варьируется от светодиодных дисплеев и солнечных батарей до визуализации в биохимии и медицине. «Эти достижения представляют собой важную веху в нанотехнологиях», - сказал Аквист.
Что такое квантовые точки?
Эти искусственные наночастицы, настолько маленькие, что их свойства определяются квантовой механикой. Эти свойства влияют на излучение света: длина волны света, который они излучают, зависит исключительно от размера частиц. Электроны в более крупных частицах имеют меньшую энергию и излучают красный свет, тогда как электроны в более мелких частицах имеют больше энергии и излучают синий свет.
Исследователи могут точно определить, какой цвет света будет исходить от квантовых точек, просто регулируя их размер. Это дает огромное преимущество перед использованием других типов флуоресцентных молекул, для которых для каждого отдельного цвета необходим новый тип молекул.
Это преимущество в управляемости не ограничивается цветом квантовых точек. Регулируя размер наночастиц, исследователи также могут регулировать их электрические, оптические и магнитные эффекты, а также физические свойства, такие как температура плавления или то, как они влияют на химические реакции.
Как работа Бавенди позволила использовать квантовые точки на практике?
В 1993 году Бавенди и его команда из Массачусетского технологического института разработали метод более точного и качественного производства квантовых точек, чем это было возможно раньше. Они нашли способ выращивать нанокристаллы в одно мгновение, вводя их химические предшественники в чрезвычайно горячий растворитель. Затем исследователи быстро останавливали рост кристаллов, снижая температуру растворителя, создавая при этом бесконечно малые кристаллические «зародыши». Медленно нагревая раствор, они смогли регулировать дальнейший рост нанокристаллов. Их метод воспроизводимо производил кристаллы желаемого размера, и его можно было адаптировать к различным системам.
Где используются квантовые точки?
Если вы когда-либо смотрели программы на телевизоре QLED, вы видели эти наночастицы в действии. Но их также используют в биомедицинской визуализации и при обычном освещении. Исследователи все еще изучают дополнительные возможности применения этих наночастиц в квантовых вычислениях и коммуникациях, гибкой электронике, датчиках, эффективных солнечных элементах и катализе солнечного топлива.
Искренне ваш, Дулин Михаил.
Это награждение было мне особенно приятно, поскольку с двумя из них - американцем Луисом Брюсом и советским учёным Алексеем Екимовым я знаком лично. Мне также приятно, что я сам, а также мои коллеги kaktus_okamenel и другие принимали непосредственное участие в создании квантовых точек и их исследовании. Поэтому это повод поздравить и нас всех.
В частности с kaktus_okamenel и другими мы получали 8-ми атомные кластеры серебра в цеолите, которые вдруг оказались совсем не металлическими, а полупроводниковыми частицами или квантовыми точками с характерными пиками возбуждения экситонов в оптических спектрах поглощения света. Вот таким небольшим, но, думаю, очень важным был наш общий вклад в то, что нобелевская премия наконец была присуждена за работу с квантовыми точками. Пусть эта премия присуждена и не нам лично. А я ещё удивлялся, чего это наша коллективная работа "Zeolites and related microporous materials: State of art" 1994 года вдруг была кем-то процитирована на прошлой неделе.)
Об удивительных свойствах кластеров серебра я писал в ЖЖ-статьях "Серебро, "изгоняющее бесов"", "Фотосинтез и серебряная фотография", "Оптические свойства металлических частиц и малоатомных кластеров".
А сегодня я предлагаю вашему вниманию перевод статьи "Nobel Prize Honors Inventors of ‘Quantum Dot’ Nanoparticles" из журнала QuantaMagazine, посвящённую нобелевским лауреатам.
[Spoiler (click to open)]
Представьте себе нанокристалл, настолько крошечный, что он ведет себя как атом. Мунги Дж. Бавенди, Луи Э. Брус и Алексей И. Екимов были удостоены Нобелевской премии по химии 2023 года за открытие категории таких мельчайших чудес, теперь известных как «квантовые точки», и за разработку точного метода их синтеза. Квантовые точки уже играют важную роль в электронике и биомедицине, например, в доставке лекарств, визуализации и медицинской диагностике, и имеют более многообещающие применения в будущем, заявил Нобелевский комитет в своем объявлении о присуждении премии.
Квантовые точки, иногда называемые искусственными атомами, представляют собой нанокристаллы из кремния и других полупроводниковых материалов шириной всего несколько нанометров - достаточно маленькие, чтобы проявлять квантовые свойства так же, как отдельные атомы, хотя их размер составляет сотни или несколько тысяч атомов. Поскольку электроны могут захватываться на определенных энергетических уровнях внутри себя, нанокристаллы могут излучать только определенные длины волн света. Контролируя размер частиц, исследователи могут точно запрограммировать, каким цветом будут мигать квантовые точки при их стимуляции.
Сегодня утром на сцене при объявлении о вручении Нобелевской премии Йохан Аквист, председатель Нобелевского комитета по химии, продемонстрировал серию из пяти колб, каждая из которых содержит жидкость, светящуюся разным цветом. Жидкости содержали жидкие растворы квантовых точек размером всего в несколько миллионных долей миллиметра. При таком крошечном размере «квантовая механика начинает вытворять всевозможные трюки», - сказал Аквист.
Квантовая механика предсказывает, что если вы возьмете электрон и втисните его в небольшое пространство, волновая функция электрона сожмется, объяснил Хайнер Линке, член Нобелевского комитета по химии и профессор нанофизики. Чем меньше вы сделаете пространство, тем больше будет энергия электрона, а значит, он сможет отдать больше энергии фотону. По сути, размер квантовой точки определяет, каким цветом она светится. Мельчайшие частицы светятся синим, а более крупные - желтым и красным.
По словам Аквиста, долгое время ученые считали, что они не могут сделать частицы настолько маленькими. «Но лауреатам этого года это удалось». В 1981 году в Государственном оптическом институте имени С.И. Вавилова в Советском Союзе Екимов был первым, кто продемонстрировал, что это возможно: добавляя медь и хлор в стекло, он показал, что хлорид меди образуется в виде нанокристаллов и что цвет стекла меняется в зависимости от размера частиц. В 1983 году в Bell Labs Брюс сделал второе открытие этих частиц - на этот раз свободно плавающих в жидком растворе - когда он экспериментировал с использованием света для запуска химических реакций.
Брус, сейчас работающий в Колумбийском университете, также заметил, что размер меняет оптические свойства наночастиц. «Это вызвало большой интерес», - сказал Линке. Потенциальная оптоэлектронная полезность таких частиц не была упущена из виду технологами, которые последовали примеру Марка Рида из Йельского университета, назвав их «квантовыми точками». В течение следующего десятилетия исследователи изо всех сил пытались точно контролировать размер и качество этих частиц.
Однако в 1993 году Бавенди изобрел «гениальный химический метод» создания идеальных наночастиц, сказал Аквист. Он смог контролировать точный момент времени, когда формировались кристаллы, а затем смог контролируемым образом остановить и возобновить их дальнейший рост. Его открытие сделало квантовые точки широко полезными в различных приложениях.
Область применения этих наночастиц варьируется от светодиодных дисплеев и солнечных батарей до визуализации в биохимии и медицине. «Эти достижения представляют собой важную веху в нанотехнологиях», - сказал Аквист.
Что такое квантовые точки?
Эти искусственные наночастицы, настолько маленькие, что их свойства определяются квантовой механикой. Эти свойства влияют на излучение света: длина волны света, который они излучают, зависит исключительно от размера частиц. Электроны в более крупных частицах имеют меньшую энергию и излучают красный свет, тогда как электроны в более мелких частицах имеют больше энергии и излучают синий свет.
Исследователи могут точно определить, какой цвет света будет исходить от квантовых точек, просто регулируя их размер. Это дает огромное преимущество перед использованием других типов флуоресцентных молекул, для которых для каждого отдельного цвета необходим новый тип молекул.
Это преимущество в управляемости не ограничивается цветом квантовых точек. Регулируя размер наночастиц, исследователи также могут регулировать их электрические, оптические и магнитные эффекты, а также физические свойства, такие как температура плавления или то, как они влияют на химические реакции.
Как работа Бавенди позволила использовать квантовые точки на практике?
В 1993 году Бавенди и его команда из Массачусетского технологического института разработали метод более точного и качественного производства квантовых точек, чем это было возможно раньше. Они нашли способ выращивать нанокристаллы в одно мгновение, вводя их химические предшественники в чрезвычайно горячий растворитель. Затем исследователи быстро останавливали рост кристаллов, снижая температуру растворителя, создавая при этом бесконечно малые кристаллические «зародыши». Медленно нагревая раствор, они смогли регулировать дальнейший рост нанокристаллов. Их метод воспроизводимо производил кристаллы желаемого размера, и его можно было адаптировать к различным системам.
Где используются квантовые точки?
Если вы когда-либо смотрели программы на телевизоре QLED, вы видели эти наночастицы в действии. Но их также используют в биомедицинской визуализации и при обычном освещении. Исследователи все еще изучают дополнительные возможности применения этих наночастиц в квантовых вычислениях и коммуникациях, гибкой электронике, датчиках, эффективных солнечных элементах и катализе солнечного топлива.
Искренне ваш, Дулин Михаил.