Рис.1. Лауреаты Нобелевской премии по химии 2023 г. (scientificrussia.ru)

Нобелевскую премию по химии 2023 года присудили троим работающим в США исследователям – Мунги Бавенди, Луису Брюсу и Алексею Екимову.

До официального оглашения произошло досадное недоразумение, когда ошибочно отправленное электронное письмо Королевской академией наук Швеции с именами лауреатов случайно попало в прессу. Шведская королевская академия наук обычно тщательно хранит в тайне имена лауреатов, а список номинантов даже держится в секрете полвека после оглашения победителей. К счастью, на этот раз в итоге, после официального голосования имена лауреатов совпали с указанными в непреднамеренно и преждевременно разосланном письме.

Рис.2.Оглашение решения Нобелевского комитета по химии (scientificrussia.ru)

Нобелевская премия по химии 2023 года присуждена "за открытие, синтез и исследование квантовых точек".

В чём же состоит сущность открытия, за которое присуждена самая престижная научная премия и что собой представляют квантовые точки? Это полупроводниковые кристаллы размером в несколько нанометров. Нанометр – одна миллиардная часть метра (т.е. 10^-9 метра). В Нобелевском комитете привели такое сравнение: нанокристалл во столько раз меньше  футбольного мяча, во сколько раз мяч меньше размера нашей планеты.

В химии считают, что свойства вещества определяются, в первую очередь, его химическим составом, а также некоторыми условиями (например, агрегатным состоянием, температурой), но не зависят от размера образца. Оказалось же, что нанокристаллы настолько малы, что их некоторые физические свойства очень сильно зависят от размеров и формы. Например, имеется разница между энергетическими уровнями валентных электронов и электронов проводимости в полупроводниковом нанокристалле и в таком же объёмном полупроводнике. То есть у них запрещённая зона имеет разную величину (рис.3). В результате отличаются и связанные с этим физические свойства таких полупроводниковых материалов.

Рис.3. Упрощённая зонная структура полупроводника и диэлектрика.
E – энергия, Ef  – уровень  Ферми (ru.wikipedia.org)

Больше столетия назад квантовая механика показала, что в микромире материя подчиняется другим, квантовым законам физики. Это относится и к нанокристаллам. Так что  ещё в 1930-х годах предсказывали возможность существования квантовых точек. Пришлось ждать полвека, пока уровень развития технологий позволил экспериментально получать нанокристаллы и контролировать их размер и форму. А в результате изучить их уникальные свойства, например оптические, теплоизоляционные или проводимость электрического тока. Притом эти качества можно менять варьированием размера нанокристаллов.

Эта Нобелевская премия показала, как совместными усилиями учёных, выходцев из разных стран, удалось открыть важную тайну природы и поставить её на службу всему человечеству, найдя новые области применения. А сколько ещё пользы смогут принести нанокристаллы в будущем?

Теперь коротко остановимся на научной деятельности лауреатов, истории открытия и получения нанокристаллических квантовых точек.

Первые квантовые точки хлорида меди в стеклянной матрице получил в 1981 году Алексей Екимов из Ленинградского Государственного оптического института имени Вавилова совместно с Александром Эфросом из Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе. Они обнаружили, что в зависимости от размера получившихся частиц, стекло поглощало свет с разной длиной волны, меняя цвет стекла. Опубликованная на основе этих исследований статья в советском журнале на русском языке долго оставалась не прочитанной мировой научной общественностью.

Алексей Екимов (Alexei I. Ekimov) в 1999 году переехал в США, сейчас работает в Нью-Йорке в компании Nanocrystals Technology.

Через два года после советских учёных и независимо от них Луис Брюс (Louis E. Brus) с коллегами из лабораторий Белла исследовал поведение квантовых нанокристаллов в жидкостях. Они обнаружили, что оптические свойства коллоидного раствора наночастиц сульфида кадмия отличаются от свойств макрокристаллических образцов, но изменяются при стоянии. Это, как выяснили исследователи, связано с тем, что наночастицы со временем агрегируются друг с другом и растут, становясь похожими на обычные макрокристаллы по способности поглощать свет. Луи Брюс работал в частных американских компаниях, с 1990-х годов преподает в Колумбийском университете (США).

Третий лауреат, тунисско-французско-американский химик Мунги Бавенди (Moungi G. Bawendi) родился в Париже. В 1988 году получил степень бакалавра химии в Чикагском университете. В настоящее время работает в Массачусетском технологическом институте. Он с коллегами в 1993 г. разработал удобный воспроизводимый способ получения коллоидных растворов нанокристаллов с узким распределением по размеру. До того проблема была в том, что существующие методики методом проб и ошибок давали непредсказуемые разноразмерные нанокристаллические образцы. В результате исследований Бавенди произошла настоящая революция в химическом производстве квантовых нанокристаллов.

Где же нашли применение нанокристаллические квантовые точки? Их используют в промышленности в качестве новых катализаторов, при производстве светодиодных ламп, экранов компьютеров, телевизоров и в другой электронике. В медицинской практике, особенно в онкологии, нанокристаллы позволяют в организме пациента ”подсветить” опухоль для более точного и безопасного проведения операций.

--------------------------------
Размещено на сайте 31.10.2023