Квантові точки є частиною революції атомної інженерії — Нобелівська премія з хімії визнає важливість нанотехнологій

Автор: Ендрю Мейнард, професор інноваційних технологічних перетворень, Університет штату Арізона

Нобелівська премія з хімії 2023 року — не перша відзнака за дослідження в галузі нанотехнологій. Але мабуть, це найяскравіше застосування технології, що асоціюється з цією нагородою.

Цьогоріч Нобелівську премію присудили Мунґі Бавенді, Луїсу Брюсу та Алєксєю Єкімову за відкриття та розробку квантових точок. Протягом багатьох років ці точно створені частинки нанометрового розміру — лише кілька сотих тисячних товщини людської волосини в діаметрі — були улюбленою темою нанотехнологічних проєктів і презентацій. Як дослідник і консультант з нанотехнологій, я навіть сам використовував їх, розмовляючи з розробниками, політиками, адвокаційними групами та іншими особами про перспективи і небезпеки цієї технології.

Нанотехнології беруть свої витоки ще до роботі Бавенді, Брюса та Єкімова над квантовими точками: фізик Ричард Фейнман розмірковував про те, що стане можливим завдяки нанотехнологіям, ще у 1959 році, а інженери, такі як Ерик Дрекслер, замислювалися на можливістю атомно-точного виробництва у 1980-х роках. Однак розробки тріо цьогорічних нобелівських лауреатів були частиною першої хвилі сучасних нанотехнологій, коли дослідники почали застосовувати відкриття в матеріалознавстві на практиці.

Квантові точки яскраво світяться: вони поглинають один колір світла і майже миттєво випромінюють його у вигляді іншого кольору. Флакон з квантовими точками при освітленні світлом широкого спектру світиться одним яскравим кольором. Особливістю квантових точок є те, що їх колір залежить від їхнього розміру. Зробіть їх маленькими — і ви отримаєте насичений синій колір. Зробіть їх більшими, але все ще нанорозмірними, і колір зміниться на червоний.

Довжина хвилі світла, яке випромінює квантова точка, залежить від її розміру. Джерело: Мейсінґер, Джи, Гантер, Купер

Ця властивість привела до появи багатьох вражаючих зображень рядів пробірок з квантовими точками різного розміру, що змінюються від яскраво-синього кольору на одному кінці, через зелений і помаранчевий, до яскраво-червоного на іншому. Ця демонстрація сили нанотехнологій настільки привертає увагу, що на початку 2000-х років квантові точки стали символом дивовижності та новизни нанотехнологій.

Але, звичайно, квантові точки — це більше, ніж просто візуально привабливий трюк для розваг. Вони демонструють, що унікальних, контрольованих і корисних взаємодій між речовиною і світлом можна досягти за допомогою інженерії фізичної форми матерії — наприклад, змінюючи розмір, форму і структуру об’єктів, замість хімічних зв’язків між атомами і молекулами. Це важлива відмінність, і вона лежить в основі сучасних нанотехнологій.

Замість хімічних звʼязків покладайтесь на квантову фізику

Довжини хвиль світла, які матеріал поглинає, відбиває або випромінює, зазвичай визначаються хімічними зв’язками, що з’єднують атоми, які входять до його складу. Змініть хімічні зв’язки в матеріалі, і ви зможете точно налаштувати їх так, щоб вони давали вам бажані кольори. Наприклад, деякі з найперших барвників починалися з прозорої речовини, такої як анілін, яку за допомогою хімічних реакцій трансформували до бажаного відтінку.

Це ефективний спосіб роботи зі світлом і кольором, але він також призводить до створення продуктів, які з часом тьмяніють, оскільки ці зв’язки руйнуються. Він також часто передбачає використання хімічних речовин, які є шкідливими для людини та довкілля.

Квантові точки працюють інакше. Замість того, щоб покладатися на хімічні зв’язки для визначення довжин хвиль світла, які вони поглинають і випромінюють, вони покладаються на дуже маленькі кластери напівпровідникових матеріалів. Саме квантова фізика цих кластерів визначає, які довжини хвиль світла вони випромінюють, а це, в свою чергу, залежить від того, наскільки великими чи малими є кластери.

Ця здатність регулювати властивості матеріалу, просто змінюючи його розмір, кардинально змінює ситуацію, коли йдеться про інтенсивність і якість світла, яке можуть виробляти квантові точки, а також про їх стійкість до знебарвлення або вицвітання, їх нові види застосування та — при розумному підході — їх токсичність.

Звісно, мало матеріалів є повністю нетоксичними, і квантові точки не є винятком. Наприклад, перші квантові точки часто виготовляли на основі селеніду кадмію, компоненти якого є токсичними. Однак потенційна токсичність квантових точок повинна бути збалансована ймовірністю їх вивільнення та впливу, а також порівнянням з альтернативними матеріалами.

Квантові точки зараз є звичним елементом багатьох споживчих товарів, зокрема, телевізорів. Джерело: Getty Images

Від часу своєї появи технологія квантових точок розвивалася у напрямі підвищення безпеки та корисності та знайходила своє застосування у дедалі більшій кількості продуктів — від дисплеїв та освітлювальних приладів до датчиків, біомедичних застосунків тощо. З часом їхня новизна, можливо, відійшла дещо на другий план. Важко згадати, наскільки великим квантовим стрибком є технологія, яка використовується, наприклад, для створення останнього покоління телевізорів з високою яскравістю.

І все ж, квантові точки є ключовою частиною технологічного переходу, який революціонізує те, як люди працюють з атомами і молекулами.

Базове кодування на атомному рівні

У своїй книзі «Фільми з майбутнього: технологія і мораль науково-фантастичних фільмів» я пишу про концепцію «базового кодування». Ідея проста: якщо люди зможуть керувати базовим кодом, який визначає наш світ, ми зможемо змінити його проєктування та реконструювати його.

Ця ідея є зрозумілою, коли йдеться про комп’ютерні технології, де програмісти використовують «базовий код» з одиниць і нулів, хоча й за допомогою мов вищого рівня. Вона також спрацьовує у біології, де вчені стають дедалі більш вправними у читанні та написанні базового коду ДНК і РНК — у даному випадку, використовуючи як мову кодування хімічні основи аденін, гуанін, цитозин і тимін.

Ця здатність працювати з базовими кодами поширюється і на матеріальний світ. Тут код складається з атомів і молекул та їхнього розташування, що створює нові властивості.

Робота Бавенді, Брюса та Єкімова над квантовими точками є чудовим прикладом такої форми базового кодування матеріального світу. Завдяки точному формуванню невеликих кластерів певних атомів у сферичні «точки» їм вдалося задіяти нові квантові властивості, які інакше були б недоступні. Своєю роботою вони продемонстрували трансформаційну силу кодування за допомогою атомів.

Прикладом «базового кодування» з використанням атомів для створення матеріалу з новими властивостями є створений хіміками одномолекулярний «наномобіль», яким можна керувати, коли він їде поверхнею. Джерело: Алексіс ван Венрой / Університет Райса

Вони проклали шлях до створення дедалі складнішого нанорозмірного базового кодування, яке сьогодні приводить до появи продуктів та застосунків, які без нього були б неможливими. Вони ж стали джерелом натхнення для нанотехнологічної революції, яка триває й донині. Реінжиніринг матеріального світу такими новими способами значно перевершує те, що можна досягти за допомогою традиційних технологій.

Ця можливість була відображена у доповіді Національної науково-технічної ради США 1999 року під назвою «Нанотехнології: формування світу атом за атомом». Хоча в ній прямо не згадуються квантові точки — недогляд, за який, я впевнений, автори зараз картають себе, — та все ж відображено, наскільки трансформаційною може бути здатність створювати матеріали на атомному рівні.

Саме такого формування світу на атомному рівні прагнули Бавенді, Брюс і Єкімов у своїй новаторській роботі. Вони були одними з перших «базових кодувальників» матеріалів, оскільки використовували атомарно точну інженерію для використання квантової фізики малих частинок, і визнання з боку Нобелівського комітету важливості цієї праці є цілком заслуженим.

Стаття вперше була опублікована англійською мовою під назвою «Quantum dots are part of a revolution in engineering atoms in useful ways — Nobel Prize for chemistry recognizes the power of nanotechnology» в журналі The Conversation 4 жовтня 2023 року.

Переклали Ліана Верещака та Маргарита Клименко