fot. Bernard Hermant | Unsplash
Nagroda Nobla w dziedzinie chemii (2023)
Moungi G. Bawendi, Louis E. Brus i Alexei I. Ekimov
Nagroda Nobla w dziedzinie chemii w 2023 roku powędrowała do trzech laureatów, pracujących w amerykańskich ośrodkach naukowych: Moungiego G. Bawendiego, Louisa E. Brusa i Alexeia I. Ekimova „za odkrycie i syntezę kropek kwantowych”.
Na temat wyróżnienia wypowiada się dr hab. Rafał Podeszwa, prof. UŚ z Instytutu Chemii Wydziału Nauk Ścisłych i Technicznych Uniwersytetu Śląskiego w Katowicach. Naukowiec tłumaczy, czym są kropki kwantowe i jakie są ich zastosowania.
WERONIKA CYGAN: Panie Profesorze, czym w ogóle są kropki kwantowe? Jakie mają właściwości i jak się je syntetyzuje?
PROF. RAFAŁ PODESZWA: Kropki kwantowe to inaczej nanokryształy półprzewodnikowe. Znane nam m.in. z tranzystorów układy półprzewodnikowe zredukowano w nich do maleńkich drobin o wielkości kilku nanometrów. Przy tak małych rozmiarach na ich własności zaczynają wpływać wielkość oraz kształt – w odróżnieniu od dużych kryształów, gdzie istotny jest tylko ich skład chemiczny.
WERONIKA CYGAN: Jak odkryto istnienie kropek kwantowych? Podczas konferencji noblowskiej wspomniano, że przez długi czas istniały one wyłącznie w teorii i wielu sądziło, że nie uda się ich zaobserwować, a już na pewno wykorzystać w praktyce.
PROF. RAFAŁ PODESZWA: Kropki kwantowe odkrył Alexei Ekimov we wczesnych latach osiemdziesiątych ubiegłego wieku, badając zawieszone w szkle drobinki chlorku miedzi. Zaobserwował, że ich widmo (i przez to jednocześnie kolor) zależą od wielkości tych nanocząstek.
Fakt, że materiały powinny zachowywać się inaczej po przejściu do nanoskali znano już od samego początku mechaniki kwantowej, która powstała w latach dwudziestych ubiegłego wieku. Model „cząstki w pudle”, który to pokazuje, jest dydaktycznym narzędziem, którą wciąż wykorzystujemy w tłumaczeniu studentom zawiłości mechaniki kwantowej. W późniejszych latach teoretycy dopracowali dokładniejsze modele i wiele z własności kropek kwantowych było faktycznie znanych przed ich syntezą. Jednak dopiero po ich otrzymaniu, można było rozstrzygnąć wszystkie zawiłości. Przed pracami Ekimova, Brusa i Bawendiego naukowcy nie potrafili skutecznie otrzymywać powtarzalnie tak małych obiektów.
WERONIKA CYGAN: Podczas czytania uzasadnienia przyznania Nobla tym trzem naukowcom wspomniano, że kropki kwantowe mają fascynujące i wyjątkowe właściwości, a ich kolory zależą od rozmiaru. Jak rozumieć zwłaszcza tę drugą część stwierdzenia o kolorach? Jak rozmiar wpływa na kolor?
PROF. RAFAŁ PODESZWA: Kropki kwantowe są tak małe, że elektrony w tych kryształkach zachowują się jak w pułapce. Ich fale zależą od jej wielkości. To tak, jak wielkość piszczałek organów determinuje dźwięk, który emitują – im mniejsze, tym ton jest niższy. Dla kropek kwantowych jest dokładnie tak samo, tylko drgania przenoszone są w postaci światła, a nie dźwięku. Im mniejsze kropki, tym emitowane przez nie światło ma wyższą częstotliwość. Duże kropki emitują światło czerwone o małej częstotliwości, te mniejsze niebieskie o dużej częstotliwości.
WERONIKA CYGAN: Komitet Noblowski zaznaczył, że odkrycie dało podwaliny pod nanotechnologię. W jaki sposób wpłynęło ono na tę dziedzinę i czy poza nanotechnologią również znajduje zastosowanie?
PROF. RAFAŁ PODESZWA: Kropki kwantowe można traktować jako coś na miarę sztucznych atomów (czasami są też tak określane), których własności możemy regulować przez odpowiedni dobór ich wielkości i kształtu. W przypadku klasycznych półprzewodników mamy do wyboru tylko kilka rodzajów atomów, które determinują ich własności. Kropki kwantowe sprawiają, że takich rodzajów „atomów” mamy niemal nieskończenie wiele, każdy o innych własnościach. Kropki kwantowe stanowiły inspiracje do syntezy innych nanomateriałów niż półprzewodniki i one też zachowują się inaczej niż ich odpowiedni w makroskali. Nanotechnologia to jakby rozszerzenie układu okresowego pierwiastków na miliony nowych elementów.
WERONIKA CYGAN: Jakie jest praktyczne zastosowanie kwantowych kropek i możliwości ich syntetyzowania? Gdzie „na co dzień” możemy natknąć się na kwantowe kropki?
PROF. RAFAŁ PODESZWA: Kropki kwantowe są szczególnie dobrymi materiałami optycznymi, tzn. takimi, które emitują lub absorbują światło. Na co dzień można je spotkać w wyświetlaczach QLED, gdzie kropki kwantowe podnoszą kontrast, jasność oraz głębie barw ekranów. Oprócz tego stosuje się je do korekcji barw oświetlenia LED, dzięki czemu mamy obecnie świetlówki LED o kolorach bardziej zbliżonych do tradycyjnych żarówek. Ich dalsze zastosowania obejmują ogniwa fotowoltaiczne czy fotodetektory. Zaczynają być stosowanie w biologii oraz w chemii w postaci nanokatalizatorów, które ułatwiają kontrolowanie reakcji chemicznych.
WERONIKA CYGAN: Dziękuję za rozmowę.