Размер имеет значение

Список лауреатов Нобелевской премии по химии 2023 года не вызвал в научном сообществе ни удивления, ни отторжения, ни споров. Значимость этого открытия признали давно и прочно, а широта его применения очевидна каждому, кто хоть раз пользовался смартфоном, например.

Имена лауреатов Нобелевской премии по химии этого года не раз называли в числе очевидных кандидатов. Поэтому, когда Нобелевский комитет Шведской академии наук объявил, что лауреатами в 2023 году стали Мунги Дж. Бавенди (Массачусетский технологический институт (MIT), Кембридж, Массачусетс, США), Луис Э. Брюс (Колумбийский университет, Нью-Йорк, штат Нью-Йорк, США) и Алексей Иванович Екимов (Nanocrystals Technology Inc., Нью-Йорк, штат Нью-Йорк, США), все ученые одобрительно кивнули.

Как сообщается в официальном пресс-релизе комитета, премия вручена «за открытие и синтез квантовых точек». Квантовые точки — это наночастицы, свойства которых определяются не только их составом, но и размером. То есть у наночастиц разного размера, но одинакового состава, разные свойства. Фактически это наглядная иллюстрация того, что размер имеет значение.

Физики еще в начале 20-х годов XX века рассчитали, что свойство одного атома и состоящего из атомов одного вида вещества кардинально отличаются друг от друга. Свойства вещества определяются законами физическими, а атомов — квантовыми. Но в какой момент и как именно одни свойства начинают преобладать над другими, удалось понять не сразу.

Теоретически обосновал существование промежуточного состояния между отдельными атомами и массивным веществом в 1937 году немецкий физик-теоретик Герберт Фрёлих. Кстати, с 1933 по 1935 год он работал в Физико-техническом институте в Ленинграде, но выкладки свои закончил уже в Лондоне. Он теоретически доказал, что с уменьшением размеров частиц электроны в составляющих их атомах начинают «терять пространство», что должно порождать необычные квантовые эффекты. В частности, в зависимости от размера должна меняться так называемая ширина запрещенной зоны — диапазон значений энергии, которыми не может обладать электрон в полупроводнике.

Одним из следствий такого изменения стало изменение условий люминесценции. Это свойство электронов, возбуждаемых внешним потоком энергии, возвращать строго определенное ее количество, возвращаясь в состояние покоя. То есть, облучая два полупроводника с разными значениями ширины запрещенной зоны одним и тем же потоком, мы получим разный отклик. Грубо говоря, облучение ультрафиолетовым светом в одном случае даст отклик в виде зеленого света, а в другом, например, красного.

Первым человеком в мире, который на практике доказал существование квантовых точек, еще в 80-е годы XX века стал советский ученый из того же ленинградского Физико-технического института имени Иоффе Алексей Екимов. Ему удалось создать размерно-зависимые квантовые эффекты за счет внедрения наночастиц хлорида меди в стекло. В своей статье от 1981 года в «Журнале теоретической и экспериментальной физики» он четко показал разницу между частицами одного состава с размером от 2 до 20 нанометров и что это полностью подтверждает теоретические выкладки Фрёлиха.

Американец Луис Брюс о работах Екимова не знал и ЖЭТФ не читал. Он работал с коллоидными растворами сульфида кадмия. Уменьшая размеры частиц, он хотел добиться большего поглощения света. Однако вместо этого выяснил, что цвет раствора зависит от размера содержащихся в нем частиц сульфида кадмия.

Чтобы квантовые точки «пошли в народ», требовалось придумать технологию их селективного производства, разделения и сохранения. Например, наночастицы Екимова прочно сидели в стеклянной матрице, а квантовые точки Брюса со временем слипались. Да и разброс по размерам получаемых частиц не позволял их применять. Ровно до тех пор, пока французский ученик Брюса Мунги Бавенди не придумал технологию, которая позволила получать практически идеальные сферические наночастицы нужного размера. Технология основана на том, что реагенты впрыскиваются в раствор через тонкую иглу. А температура растворителя позволяет контролировать размер получаемых наночастиц.

Сейчас квантовые точки есть практически в каждом доме. Мы видим их, когда смотрим на компьютерные мониторы, экраны телевизоров и телефонов. Они меняют свет светодиодных ламп, помогают лучше картировать биологические ткани.

Как говорится в официальном релизе Нобелевского комитета, уже сейчас «квантовые точки приносят человечеству огромную пользу. Исследователи полагают, что в будущем они смогут внести свой вклад в создание гибкой электроники, крошечных датчиков, более тонких солнечных элементов и зашифрованной квантовой связи, поэтому мы только начали изучать потенциал этих крошечных частиц».