Tehnologiju koja je dobila Nobelovu nagradu za hemiju 2023, vjerovatno većina nas ima u svom domu, a to su šarene kvantne tačke kao temelj nanotehnologije
Trojica naučnika Mungi Bavendi, Luis Brus i Aleksej Ekimov doneli su nam tehnologiju koja je dobila Nobelovu nagradu za hemiju 2023, a velika je verovatnoća da je već imate u svom domu. U pitanju su šarene kvantne tačke za koje se nekada smatralo da ih je nemoguće napraviti, a danas su one uobičajena komponenta u kompjuterskim monitorima, TV ekranima i LED lampama, između ostalog.
Kraljevska švedska akademija nauka je trojici pomenutih naučnika dodelila ovogodišnju Nobelovu nagradu za „otkriće i sintezu kvantnih tačaka“ u hemiji. Kvantna tačka je malo poluprovodničko zrnce sa nekoliko desetina atoma u svom prečniku. One su toliko male da milijarde tačaka mogu stati na vrh igle, a što su manje, to je bolje. Na malim skalama, kvantni efekti se aktiviraju i daju tačkama superiorna električna i optička svojstva. One sijaju obasjane izvorom svetlosti, a boja svetlosti je određena veličinom kvantnih tačaka.
Što su tačke veće, svetlost je crvenija, što su manje, svetlost je plavlja, a druge veličine svetle u bojama između. Dakle, kvantne tačke možete prilagođavati određenim frekvencijama svetlosti, samo promenom njihove veličine.
Fizičari su tridesetih godina prošlog veka mislili da će se čestice na nanorazmeri ponašati drugačije. To je zato što, prema kvantnoj mehanici, postoji mnogo manje prostora za elektrone kada su čestice tako sićušne, zbijajući elektrone tesno jedne do drugih tako da se svojstva materijala mogu drastično promeniti.
Tokom sedamdesetih godina, naučnici su zatim uspeli da naprave tanke filmove poluprovodnika koji su pokazivali neke od ovih efekata, odnosno drugačija optička svojstva u zavisnosti od veličine, baš kao u skladu sa ranijim predviđanjima. Međutim, bilo ih je veoma teško napraviti i nisu mislili da će to imati mnogo praktične upotrebe.
Rešenje u njihovom pravljenju proizašlo je na osnovu proučavanja drevnog obojenog stakla. Proizvođači stakla su odavno shvatili da mogu da dodaju srebro, zlato ili kadmijum u svoje rastopljeno staklo, da menjaju temperaturu i kontrolišu proces hlađenja, kako bi napravili različite nijanse obojenog stakla. Naučnici su kasnije shvatili da su boje nastale od sitnih čestica unutar stakla, te da boja stakla u stvari zavisi od veličine tih čestica.
Kako su trojica naučnika otkrila tehnologiju koja je dobila Nobelovu nagradu
Krajem 1970. godina, Ekimov je počeo da istražuje optička svojstva obojenog stakla na Državnom institutu u tadašnjem Sovjetskom Savezu. On se oslanjao na neke od optičkih dijagnostičkih metoda koje je koristio za svoje doktorsko istraživanje o poluprovodnicima, osvetljavajući materijale i mereći njihovu apsorpciju kako bi saznao više o kristalnoj strukturi.
Ekimov je počeo da zatamnjuje svoje laboratorijsko staklo bakar-hloridom, rendgenskim zračenjem dobijenog stakla nakon hlađenja. Tada je otkrio da su se formirali sićušni kristali bakar-hlorida, a način na koji ih je napravio, varirajući temperaturu između 500-700 stepeni Celzijusa uticao je na njihove veličine koje su se kretale od oko 2 do 30 nanometara.
Ne samo da je uticao na njihovu veličinu, već je štaviše ona uticala na apsorpciju svetlosti stakla, baš kao i slučaju tankih filmova nekoliko godina ranije: što su čestice bile manje, to su apsorbovale više plave svetlosti. Njegovo istraživanje predstavlja prve kvantne tačke koje su namerno napravljene u laboratoriji.
Nažalost, njegov rad iz 1981. u kojem je najavio svoje otkriće, objavljen je u sovjetskom časopisu, ali istraživači iz drugih delova sveta nisu imali pristup tom radu. Jedan od tih naučnika bio je i Brus koji je dve godine kasnije otkrio slične čestice koje slobodno lebde u tečnom rastvoru, a takođe pokazuju optičke efekte u zavisnosti od svoje veličine.
Brus je u svojoj laboratoriji eksperimentisao sa nanočesticama kadmijum-sulfida, zaintrigiran njihovom sposobnošću da uhvate svetlost i iskoriste tu energiju za pokretanje hemijskih reakcija. Pravilno je posumnjao da se optička svojstva čestica menjaju ukoliko one porastu.
Treći naučnik Bavendi bio je na postdoktorskim studijama u Brusovoj laboratoriji kasnih osamdesetih i on se pridružio intenzivnim naporima da reši ključni nedostatak ranijeg otkrića svog mentora: metode proizvodnje kvantnih tačaka uvek su proizvodile nanočestice različitog i nepredvidivo kvaliteta i posebno veličine. To im je ograničilo upotrebu u praktičnoj primeni, a Brus je donekle poboljšao proces, ali nanokristali i dalje nisu bili na dovoljno dobrom nivou.
Bavendi je potom otkrio tajnu kontrolisanja veličine kvantnih tačaka 1993. godine uz pomoć dinamičkog menjanja temperature tokom procesa njihove proizvodnje. To je otkrio tako što je u vrući rastvarač ubrizgao različite supstance koje mogu da formiraju kadmijum-selenid. Mali kristali kadmijum-selenida bi se odmah formirali, ali bi se taj proces zaustavio jer ubrizgavanje supstanci hladi rastvarač. Tada je Bavendi povećao temperaturu rastvarača, a kristali su ponovo počinjali da rastu – što je duže puštao ovaj proces, kristali bi postajali veći, dok je rastvarač osiguravao glatku i ravnu površinu.
Posle njihovih otkrića, šarene kvantne tačke nailaze na širu praktičnu upotrebu
Posle toga su nanokristali, odnosno kvantne tačke polako počele da pronalaze svoj put do praktičnih primena. One danas omogućavaju proizvođačima televizora da precizno podese emitovane boje, proizvodeći tačnije nijanse u širokom opsegu ujedno uz korišćenje manje električne energije. Šarene kvantne tačke su još korisne i kao alternativa organskim bojama koje se koriste za označavanje reaktivnih agenasa u biosenzorima zasnovanim fluorescenciji, a ugrađeni su u staklene prozore kako bi oni postali fotonaponski prozori koji potencijalno skupljaju malu količinu sunčeve energije kako bi nadoknadili kućne troškove za struju.
Sva trojica naučnika ističu da su srećni zbog priznanja koje je stiglo posle 40 godina rada, a ističu da je to zajednički napor ljudi širom sveta koji se bave naukom kroz fiziku, hemiju i nauku o materijalima, piše ArsTechnica.
Tokom 2015. naučnici su napravili kvantne tačke od recikliranog urina (pee-dots) i koristili su ih za bio-silkovanje ćelija miša. Njihova buduća primena može uključiti ugrađivanje u fleksibilnu elektroniku, male senzore i solarne ćelije ili čak njihovo korišćenje u šifrovanim kvantnim komunikacionim sistemima.
Benchmark.rs
