Otkriće kvantnih točaka

Najstariji arheološki nalazi obojenog stakla datiraju od prije nekoliko tisuća godina. Proizvođači stakla dodavali su tvari kao što su srebro, zlato i kadmij, a zatim su zagrijavanjem na različitim temperaturama proizvodili staklo u lijepim nijansama svih mogućih boja. U 19. i 20. stoljeću fizičari su počeli istraživati ​​optička svojstva svjetlosti primjenjujući znanja staklara.

Jedna stvar koju su naučili bila je da dodavanje jedne tvari može rezultirati staklom potpuno drukčije boje, a na kraju su uspjeli pokazati da boje ovise o veličini čestica koje se formiraju unutar stakla. To je bila razina znanja 1970-ih, kada je jedan od ovogodišnjih laureata Nobela za kemiju, Aleksej Jekimov, doktorirao i počeo raditi na Državnom optičkom institutu u tadašnjem Sovjetskom Savezu.

Činjenica da jedna tvar može rezultirati staklom različitih boja zainteresirala je Jekimova jer je to zapravo nelogično. Ako sliku naslikate kadmijevom crvenom bojom, ona će uvijek biti kadmijski crvena, osim ako u nju ne umiješate druge pigmente.

Tijekom svog doktorskog studija iz fizike Jekimov je proučavao poluvodiče. U tom se području optičke metode koriste kao dijagnostički alati za procjenu kvalitete poluvodičkih materijala. Istraživači osvjetljavaju materijal i mjere apsorbanciju (logaritam omjera upadne i odaslane snage zračenja kroz uzorak). To otkriva od kojih je tvari materijal napravljen i koliko je dobro uređena kristalna struktura.

Jekimov je bio upoznat s tim metodama, pa se počeo koristiti njima za ispitivanje obojenog stakla. Nakon nekoliko početnih eksperimenata odlučio je sustavno proizvoditi staklo koje je zatamnjeno bakrenim kloridom. Zagrijao je rastaljeno staklo do raspona temperatura između 500 °C i 700 °C, mijenjajući vrijeme zagrijavanja od jednog do 96 sati. Nakon što se staklo ohladilo i stvrdnulo, pregledao ga je rendgenskim zrakama. Raspršene zrake pokazale su da su se sićušni kristali bakrenog klorida formirali unutar stakla i da je proizvodni proces utjecao na veličinu tih čestica (od dva do trideset nanometara). Najveće čestice apsorbiraju svjetlost na isti način na koji to čini bakrov klorid, ali što su čestice manje, to je svjetlost koju apsorbiraju plavija. Kao fizičar, Jekimov je bio dobro upoznat sa zakonima kvantne mehanike i brzo je shvatio da je opazio kvantni učinak ovisan o veličini (slika).

©Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences

To je bio prvi put da je netko uspio proizvesti kvantne točke – nanočestice koje uzrokuju kvantne učinke ovisne o veličini. Godine 1981. Jekimov je objavio svoje otkriće u sovjetskom znanstvenom časopisu, ali to je bilo teško dostupno istraživačima s druge strane Željezne zavjese. Drugi ovogodišnji dobitnik Nobelove nagrade za kemiju – Louis Brus – nije bio svjestan otkrića Alekseja Jekimova kada je 1983. otkrio kvantne efekte ovisne o veličini u česticama koje slobodno lebde u otopini.

Louis Brus radio je u Laboratoriju Bell u SAD-u, s dugoročnim ciljem da se s pomoću sunčeve energije potaknu kemijske reakcije. Kako bi to postigao koristio se vrlo malim česticama kadmijeva sulfida u otopini.

Tijekom rada s tim sićušnim česticama Brus je zapazio nešto čudno – njihova su se optička svojstva promijenila nakon što ih je neko vrijeme ostavio na laboratorijskoj klupi. Pretpostavio je da bi to moglo biti zato što su čestice narasle, pa je kako bi potvrdio svoje sumnje proizveo čestice promjera samo oko 4,5 nanometara. Brus je zatim usporedio optička svojstva tih novonastalih čestica s onima većih čestica, koje su imale promjer od oko 12,5 nanometara. Veće čestice apsorbirale su svjetlost na istim valnim duljinama kao kadmijev sulfid općenito, dok su manje čestice apsorbirale svjetlost pomaknutu u spektru prema plavoj boji.

Metode koje je Brus primjenjivao za izradu nanočestica rezultirale su nepredvidivom kvalitetom.

Bio je to problem koji je treći ovogodišnji dobitnik Nobelove nagrade za kemiju odlučio riješiti. Moungi Bawendi započeo je poslijedoktorsko usavršavanje u laboratoriju Louisa Brusa 1988, gdje se intenzivno radilo na poboljšanju metoda za proizvodnju kvantnih točaka. I kristali su bili sve bolji, ali još nedovoljno dobri.

Bawendi je poslije počeo raditi kao glavni istraživač na MIT-u (Massachusetts Institute of Technology), gdje se do velikog otkrića došlo 1993, kada je istraživačka skupina u zagrijano i pažljivo odabrano otapalo ubrizgala tvari koje bi tvorile nanokristale. Ubrizgali su onoliko tvari koliko je bilo potrebno za precizno zasićenje otopine, što je dovelo do sićušnih kristalnih embrija koji su se počeli formirati istovremeno. Dinamičkim mijenjanjem temperature otopine Moungi Bawendi i njegova istraživačka skupina uspjeli su uzgojiti nanokristale određene veličine. Nanokristali koje je Bawendi proizveo bili su gotovo savršeni, uzrokujući različite kvantne učinke. Budući da je proizvodna metoda bila jednostavna za korištenje, bila je revolucionarna.

Otkriće kvantnih točaka i sposobnost sintetiziranja takvih materijala s visokom točnošću, ali i relativno jednostavnim kemijskim metodama, bio je važan korak u razvoju nanoznanosti i nanotehnologije. Temeljni je princip nanoznanosti da, na razini nanometara, materijali i čestice postižu nova svojstva ovisna o veličini koja se mogu iskoristiti i kontrolirati za nove primjene u različitim područjima poput biotehnologije, katalize, senzora, medicinske dijagnostike, elektronike, fotonike i kvantnih tehnologija.