Красота квантовой точки: за что дали Нобелевскую премию по химии в 2023 году

Лауреатами в этом году стали Мунги Дж. Бавенди, Луи Брюс и Алексей Екимов. Чем замечательны их открытия, объясняют российские ученые.
Midjourney
Заиров Рустэм Равилевич
кандидат химических наук, доцент кафедры физической химии Химического института им. А. М. Бутлерова КФУ

Что такое квантовые точки

Квантовые точки — это полупроводниковые кристаллы, как правило сферической формы, обладающие размерами в нанометровом диапазоне. Их размеры настолько малы, что носители заряда (электроны и дырки) в них пространственно ограничены. В условиях подобного ограничения нанокристалла в нем возникает квантовый эффект. В результате, получая энергию извне за счет электро- или фотовозбуждения, электроны переходят в зону проводимости, преодолевая энергетический барьер — запрещенную зону. А обратный переход в основное состояние происходит, как правило, с излучением фотона. Именно это обуславливает цвет и яркость свечения квантовой точки. Смесь квантовых точек разного размера или состава обуславливает мультицветность и исключительную цветопередачу современных QLED ТВ.

Синтезируются они из неорганических материалов и представляют собой сульфиды, селениды, теллуриды, фосфиды d-металлов (свинца, кадмия, цинка и др.). Очень важно контролировать размер получаемого кристалла. Управляя размером нанокристалла, можно управлять эффективной шириной запрещенной зоны, а значит и энергией излучаемых фотонов по всему диапазону видимого света. Благодаря этой особенности, нанокристаллы стали исключительно перспективным материалом в качестве светодиодов, компонентов солнечных элементов, агентов биовизуализации, биосенсоров и т.д.

История Нобелевского открытия

Полупроводниковые нанокристаллы впервые были синтезированы в стеклянной матрице в начале 80-х годов XX века советским ученым А. Екимовым, теоретизированы А. Эфросом (СССР, 1982 год). Позднее квантовые точки были получены и в коллоидном растворе Луи Брюсом (США, 1983 год). Интересно, что сам термин «квантовая точка» был введен спустя пять лет после открытия в 1986 году.

Эта премия как нельзя лучше иллюстрирует важность поддержки фундаментальных исследований. Практическое применение их на первый взгляд не очевидно. Так, в XIX веке в ответ на вопрос какая польза от электричества, заданным канцлером казначейства Великобритании, выдающийся английский физик и химик Майкл Фарадей ответил: «Вполне возможно сэр, что скоро вы сможете обложить это налогом». В отличие от приведенного исторического примера, при открытии квантовых точек, уверен, авторы совершенно точно не могли руководствоваться преследованием потенциальной фискальной функции своего изобретения, ими руководил фундаментальный интерес — как идеальный двигатель науки.

Васильев Роман Борисович
профессор кафедры наноматериалов факультета наук о материалах МГУ им. М.В. Ломоносова, заведующий лабораторией и и физики полупроводниковых и сенсорных материалов, доктор химических наук

Изначально квантовые точки изучались исключительно в рамках чисто фундаментальных, научных задач. Об их применении не шло даже речи — это было исследование светового спектра в рамках наночастиц. А сегодня квантовые точки уже входят в повседневный обиход. Так что это один из самых ярких примеров ценности и важности поддержки фундаментальных исследований об устройстве мира.

Квантовая точка — это маленькая частица твердого тела, 1-5 нанометров, условно 10 атомов в диаметре. Если такую частицу сделать из полупроводника, у нее получатся совершенно замечательные свойства — в ней начнет меняться энергия электронов или, проще говоря, она начнет светиться. То есть у электронов в кристаллах меняется ширина запрещенной зоны. Запрещенная зона — область значений энергии, которыми не может обладать электрон в идеальном (бездефектном) кристалле. Она во многом определяет электрические и оптические свойства материалов. Если ширина запрещенной зоны меняется, кристаллы начинают поглощать или излучать свет при разных энергиях. Один и тот же материал будет светиться разными цветами.

Квантовые точки могут светиться при разных условиях. Самое простое — в ультрафиолете. У нас в лаборатории есть колбы с такими наночастицами, которые светятся красным при солнечном свете, просто находясь на столе. Можно также заставить квантовые точки светиться под действием электрического тока — это чуть более сложная задача, но уже вполне решаемая, такие квантовые точки создавались, в том числе, в нашей лаборатории.

Значение открытия для будущего

Во всем мире уже активно продаются телевизоры на квантовых точках. Безусловно, дисплей такого телевизора не состоит полностью из квантовых точек — до такого еще далеко. Там стоит пленка, которая содержит наночастицы, светящиеся красным. Пленка убирает излишнее синее свечение, делая изображение более качественным и насыщенным.

Квантовые точки находят полезное применение и в медицине. Модифицированные определенным образом, они могут подкрашивать опухоли в организме человека. Таким образом, хирург видит, вся ли она удалена.

Также с помощью квантовых точек можно делать очень стабильные светодиоды белого света.

Еще квантовые точки могут применяться в квантовом компьютере. Каждая квантовая точка будет поддерживать электрон в нужном состоянии и уже этот электрон можно перевести в запутанное состояние. Пока все это на уровне исследовательских разработок, но в будущем, возможно, будет внедрено.

В нашей лаборатории, например, мы работаем над «квантовыми ямами», которые помогут в будущем создать 3D-телевидение будущего. И это также базируется на том открытии, которое сделали Екимов и Брюс. В России пока не очень много исследовательских групп, которые работают над подобными темами, но, я надеюсь, что после этой Нобелевской премии ученых, которым это интересно, станет больше.

Ведь здесь химик может манипулировать материей с точностью в один атом! Наука пришла к сверхмаленьким уровням.

Кристалл полупроводника можно сделать толщиной в пять атомов, пришить к нему нужные молекулы, чтобы получить необходимые свойства. Также этот «лист» толщиной в пять атомов можно скрутить в нужном направлении. Получается, среди прочего, очень красиво...

Квантовые точки можно создавать химическими (это как раз то, что предложили Екимов и Брюс) или физическими методами.

Не углубляясь в детали, установка для создания их физическими методами, будет стоить десяток миллионов долларов, а химическими — потребуется, грубо говоря, только колба. В нашей лаборатории эти объекты могут синтезировать даже студенты!