Pristupačnost
Dobitnici Nobelove nagrade za kemiju u 2023.
Trojica znanstvenika, Moungi G. Bawendi, Louis E. Brus i Alexei I. Ekimov dobitnici su Nobelove nagrade za kemiju u 2023. Kako se navodi u priopćenju Švedske kraljevske akademije znanosti, ova tri znanstvenika dali su znatan doprinos u otkriću i razvoju kvantnih točaka i time posadili važno sjeme u različitim područjima nanotehnologije.
Početkom 1980-ih Aleksej Ekimov (Nanocrystals Technology Inc., New York, NY, USA) uspio je stvoriti kvantne efekte ovisne o veličini u obojenom staklu. Izvor boje bile su nanočestica bakrovog klorida, a Ekimov je pokazao da veličina čestica utječe na boju stakla preko kvantnih učinaka.
Nekoliko godina kasnije, Louis Brus (Columbia University, New York, NY, USA) je bio prvi znanstvenik na svijetu koji je dokazao kvantne efekte ovisne o veličini u česticama koje slobodno lebde u tekućini.
Godine 1993. Moungi Bawendi (Massachusetts Institute of Technology MIT, Cambridge, MA, USA) napravio je revoluciju u kemijskoj proizvodnji kvantnih točaka, što je rezultiralo gotovo savršenim česticama. Ova visoka kvaliteta bila je neophodna da bi se ovi nanoobjekti mogli koristiti u različitim primjenama.
Što su kvantne točke i zašto tako čudesne?
Kvantne točke imaju jedinstvena optička svojstva. Pod optičkim svojstvima materijala u užem smislu smatraju se svojstva materijala koja dolaze do izražaja u interakciji materijala s elektromagnetskim zračenjem u području vidljivog dijela spektra.
Kvantne točke su sićušni kristali koji se obično sastoje od nekoliko tisuća atoma i veličine su svega nekoliko nanometara. Od istovrsnih tvari mikrodimenzija razlikuju se samo u veličini. Smanjenjem veličine tvari do nanodimenzija (milijunti dio milimetra) počinje vrijediti čudesni svijet kvantnih efekata. Pri vrlo malim dimenzijama, kontinuirane elektronske vrpce zamjenjuje niz diskretnih energijskih razina. Smanjenjem kvantne točke dolazi do veće diskretizacije energijskih razina i širenja zabranjene zone (slika 1).
Slika 1. Usporedba elektronskih struktura različitih materijala različitih dimenzija [3]
Pri interakciji elektromagnetskog vala, dio ili sva energija vala može se apsorbirati, odnosno fotoni upadnog svjetla mogu izazvati prijelaz elektrona u materijalu iz osnovnog u pobuđeno stanje. Ekscitirani elektroni ne mogu dugo ostati u pobuđenom stanju, već se nakon kratkog vremena vraćaju u osnovno stanje pri čemu dolazi do emisije energije. S obzirom na to da se prijelazi elektrona obično događaju između najviših energijskih razina popunjene vrpce i najnižih energijske nivoa valentne vrpce, odnosno preko zabranjene zone, emitirana energija osim o vrsti materijala ovisi i o širini zabranjene zone.
Promjenom u širini zabranjene zone mijenja se i frekvencija emitiranoga vidljivog zračenja (ΔE=h∙ν ). Kako je istaknuto smanjenjem veličine kvantne točke dolazi do širenja zabranjene zone te se pri povratku elektrona iz vodljive u valentnu vrpcu, oslobodi više energije. S obzirom na to da viša energija odgovara višoj frekvenciji zračenja ν ( ΔE=h∙ν ), odnosno manjim valnim duljinama λ ( c=λν gdje je c brzina svjetlosti ~3∙108 ms-1) zračenje emitirano pri ovom procesu pomiče se prema plavom dijelu spektra. Opisana promjena boje kvantnih točaka zbog smanjenja veličine čestica naziva se plavi pomak (slika 2.).
Slika 2. Plavi pomak fluorescencije poluvodičkih CdSe kvantnih točaka. Pobuđivanje zračenjem
od 365 nm dovodi do emisije u vidljivom području. Boja emitiranog svjetla ovisi o veličini čestica i
sa smanjenjem veličine čestice pomiče se prema nižim valnim duljinama, odnosno višim energijama [3]
Iz toga slijedi da se samo kontrolom veličine (i oblika) čestica mogu kontrolirati i optička svojstva. Činjenica da zbog učinka kvantnog ograničenja kvantne točke posjeduju vrlo uzak emisijski spektar, a emisija zračenja traje duže, otvara brojne mogućnosti primjene ovih nanoobjekata.
Kojim tehnologijama je doprinijelo otkriće kvantnih točaka i što se još očekuje?
Trideset godina kasnije, kvantne točke sada su važan dio nanotehnologije i već se nalaze se u komercijalnim proizvodima. Istraživači su prvenstveno koristili kvantne točke za stvaranje obojenog svjetla. Ako se kvantne točke osvijetle plavom svjetlošću, one apsorbiraju svjetlost i emitiraju drugu boju. Modificiranjem veličine čestica moguće je točno odrediti kojom bojom trebaju svijetliti.
Svjetlosna svojstva kvantnih točaka koriste se u računalnim i televizijskim ekranima koji se temelje na QLED tehnologiji, gdje Q označava kvantnu točku. Kvantne točke se koriste u nekim LED svjetiljkama za podešavanje hladnog svjetla dioda.
Svjetlost iz kvantnih točaka također se može koristiti u biokemiji i medicini. Biokemičari vežu kvantne točke na biomolekule kako bi obilježili stanice i organe. Liječnici su počeli istraživati potencijal kvantnih točaka za praćenje tumorskog tkiva u tijelu, a kemičari umjesto toga koriste katalitička svojstva kvantnih točaka za ubrzavanje kemijskih reakcija.
Kvantne točke tako donose veliku korist čovječanstvu, a očekuje se i daljnji razvoj njihova potencijala. Istraživači vjeruju da bi u budućnosti kvantne točke mogle doprinijeti fleksibilnoj elektronici, minijaturnim senzorima, tanjim solarnim ćelijama i možda kvantnoj komunikaciji.
Puno više o čudesnom svijetu nanotehnologije i kvantnih točaka možete pročitati u udžbeniku Uvod u nanotehnologiju kojem su autori profesori našeg Fakulteta prof. dr. sc. Stanislav Kurajice i prof. dr. sc. Sanja Lučić Blagojević.
[1] https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2023/press-release/
[2] https://www.nobelprize.org/uploads/2023/10/press-chemistryprize2023.pdf
[3] S. Kurajica, S. Lučić Blagojević, Uvod u nanotehnologiju, Hrvatsko društvo kemijskih inženjera i tehnologa, 2017.