Nauki przyrodnicze [2023-10-06]

Kolorowy Nobel z chemii

— Marcin Behrendt

Przełomowe odkrycia dotyczące kropek kwantowych oraz efektywnych sposobów ich otrzymywania uhonorowała w tym roku Szwedzka Królewska Akademia Nauk. O laureatach Nagrody Nobla z chemii i ich badaniach opowiada prof. dr hab. Włodzimierz Jaskólski z Katedry Mechaniki Kwantowej.

Komitet Noblowski nagrodził Moungi G. Bawendiego z Massachusetts Institute of Technology, Louisa E. Brusa z Columbia University i Alexeia I. Ekimova z Nanocrystals Technology za odkrycie i syntezę kropek kwantowych. W uzasadnieniu wyboru członkowie Szwedzkiej Królewskiej Akademii Nauk napisali, że laureaci "dodali koloru do nanotechnologii". To dlatego, że badania tegorocznych noblistów pozwoliły stworzyć m.in. ekrany telewizorów i komputerów, które lepiej oddają kolory i są jaśniejsze.

– Kropki kwantowe to nic innego jak niezwykle małe "kawałeczki kryształów" o rozmiarach rzędu od kilku do kilkudziesięciu nanometrów, a jeden nanometr to milionowa część milimetra – mówi prof. Włodzimierz Jaskólski z Katedry Mechaniki Kwantowej w Instytucie Fizyki Uniwersytetu Mikołaja Kopernika w Toruniu. – Dlatego nazywane są też nanokryształami. To właśnie ze względu na te nanorozmiary, struktura poziomów energetycznych i widm emisyjnych kropek kwantowych jest, podobnie jak w atomach, dyskretna, tzn. całkowicie inna niż struktura energetyczna makroskopowych kryształów.

Toruński fizyk tłumaczy, że efekt dyskretyzacji widm energii nazywa się kwantowym efektem rozmiarowym, a same kropki kwantowe nazywa się przez to sztucznymi atomami.

Ale najważniejsze jest to, że skala dyskretyzacji zależy od rozmiaru kropek kwantowych, przez co te bardzo małe świecą bardziej na niebiesko, a te nieco większe na czerwono, nawet wtedy gdy zbudowane są z tego samego materiału! – dodaje prof. Jaskólski.

Naukowiec z Wydziału Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanej UMK przypomina, że pierwszych odkryć dokonał Alexei Ekimov, który domieszkując szkła związkami metali zauważył, że w zależności od warunków wygrzewania wewnątrz szkła tworzyły się "klastry metaliczne" o różnych rozmiarach, co prowadziło do różnych kolorów szkieł. – Średniowieczne witraże są tak pięknie kolorowe, gdyż zawierają wewnątrz kropki kwantowe różnych rozmiarów, a tworzone były przez ówczesnych szklarzy przez dodawanie do szkła złota, srebra czy kadmu – mówi prof. Jaskólski. – Louis Brus jako pierwszy pokazał, że półprzewodnikowe nanokryształy można otrzymywać także w roztworach, a Moungi Bawendi opracował prostą i rewolucyjną metodę otrzymywania w roztworach kropek kwantowych o niemalże idealnie kulistych kształtach i rozmiarach takich jak sobie zażyczymy. Widma optyczne takich kropek są jak ich kody kreskowe.

To właśnie optyczne własności kropek kwantowych oraz ich nanorozmiary, a także łatwość ich syntezy spowodowały, że dziś są one na coraz większą skalę stosowane w ekranach, wyświetlaczach, lampach i laserach typu QLED (Q od quantum). Kropki kwantowe zaczynają też znajdować zastosowanie w medycynie i biotechnologii. Z dołączonymi do nich biomolekułami mogą przydać się we wczesnej diagnostyce nowotworów, pomagając identyfikować i śledzić komórki rakowe w naszych organizmach. Są także nadzieje na ich zastosowania terapeutyczne jako "roznosicieli" leków czy w terapiach fotodynamicznych.

– Nagroda Nobla koncentruje się wokół tzw. koloidalnych kropek kwantowych, ale jest także wiele innych typów kropek kwantowych wytwarzanych nie tylko metodami chemicznymi – zwraca uwagę prof. Jaskólski. – Tematykę kropek kwantowych zapoczątkowałem w Instytucie Fizyki UMK niemal 30 lat temu. Dziś jest to przedmiot badań szeregu grup. Zespół prof. dr. hab. Sebastiana Maćkowskiego syntetyzuje i bada metaliczne kropki kwantowe pod kątem bardziej efektywnej zamiany energii światła na energię elektryczną lub chemiczną, w zastosowaniach do fotowoltaiki i fotosyntezy, a zespół dr. hab. Michała Zielińskiego, prof. UMK analizuje własności kropek kwantowych do zastosowań w informatyce kwantowej. Warto też wspomnieć, że nasi studenci od wielu lat wykonują w ramach pracowni projektów fizycznych zadania, których celem jest badanie własności optycznych półprzewodnikowych kropek kwantowych.

Nagroda Nobla z chemii przyznawana jest od 1901 r. Do tej pory laureatów w tej kategorii nie wskazano osiem razy, w: 1916, 1917, 1919, 1924, 1933, 1940, 1941 i 1942 r. Najmłodszym nagrodzonym był 35-letni Frédéric Joliot, którego uhonorowano wraz z żoną Irène Joliot-Curie w 1935 r. za odkrycie sztucznej promieniotwórczości – syntezy nowych nuklidów promieniotwórczych. Najstarszym laureatem był z kolei 97-letni John B. Goodenough, który w 2019 r. wraz ze Stanleyem Whittinghamem i Akirą Yoshino został wyróżniony za znaczący wkład w wynalezienie akumulatorów litowo-jonowych. W ubiegłym roku Komitet Noblowski nagrodził Carolyn R. Bertozzi, Mortena P. Meldala i K. Barrego Sharplessa za pracę nad innowacyjną metodą syntezy organicznej czyli "klikającą chemię" i chemią bioortogonalną.