Dodano: 04 październik 2023r.

Nagroda Nobla z chemii. Czym są kropki kwantowe i jakie mogą mieć zastosowania?

Tegorocznymi laureatami Nagrody Nobla w dziedzinie chemii zostali Moungi G. Bawendi, Louis E. Brus i Alexei I. Ekimov. Kapituła wyróżniła ich za odkrycie oraz syntezę kropek kwantowych.

Nagroda Nobla z chemii. Czym są kropki kwantowe i jakie mogą mieć zastosowania?

 

Zgodnie z testamentem Alfreda Nobla, nagrodą ma nią zostać uhonorowana osoba, która dokona najważniejszego odkrycia lub ulepszenia w dziedzinie nauk chemicznych. Nagrodę w tej kategorii zdobyła m.in. Maria Skłodowska-Curie. Wyróżnienie przyznaje się od początku trwania konkursu, czyli od 1901 roku. Pierwszym jego laureatem został, uznawany za twórcę nowoczesnej chemii fizycznej, Jacobus Henricus van’t Hoff za „wkład w odkrycie praw dynamiki chemicznej i ciśnienia osmotycznego”.

Kropki kwantowe

Tegoroczna Nagroda Nobla z chemii honoruje odkrycie i rozwój kropek kwantowych. Mają one unikalne właściwości i obecnie i są wykorzystywane chociażby w wyświetlaczach LED. Katalizują reakcje chemiczne, a ich przejrzyste światło może oświetlić tkankę nowotworową dla chirurga. Naukowcy wierzą, że w przyszłości kropki kwantowe mogą przyczynić się do powstania elastycznej elektroniki, maleńkich czujników, cieńszych ogniw słonecznych i być może szyfrowanej komunikacji kwantowej.

Kropki kwantowe są stosowane w diodach elektroluminescencyjnych czy ogniwach fotowoltaicznych jako warstwa transportująca elektrony. To rodzaj nanocząstek o długości od dwóch do pięciu nanometrów. Dla porównania, przeciwciała, które układ odpornościowy każdego z nas wykorzystuje do ataku na szkodliwe wirusy lub bakterie, mają szerokość dziesięciu nanometrów, a ludzkie włosy mają około 40 000 nanometrów szerokości.

Kropki kwantowe są znane nauce od lat 70. ubiegłego wieku, ale przez długi czas były wytworem czysto teoretycznym. Rozwój technologi pozwolił na tworzenie takich nanocząstek. Wyjątkowo małe rozmiary dają kropkom kwantowym wyjątkowe właściwości. Są to struktury krystaliczne wykonane z materiałów półprzewodnikowych. Pochłaniają i emitują promieniowanie wyłącznie o ściśle określonej energii. Ponieważ w podobny sposób ze światłem oddziałują atomy, kropki kwantowe często nazywa się sztucznymi atomami.

Małe rozmiary dają nowe właściwości

- Odkrycie to związane jest z nanotechnologią i tym, że jeśli badamy materiał, który normalnie znamy ze skali makroskopowej, w tym przypadku materiały półprzewodnikowe, to po rozdrobnieniu tego materiału do bardzo małych rozmiarów możemy oczekiwać pojawienia się pewnych nowych właściwości. Tymi właściwościami, które są wymieniane w trakcie omawiania tegorocznej Nagrody Nobla, jest emisja światła przez materiały półprzewodnikowe, które są bardzo małe. Te materiały potrafią emitować światło wzbudzone, które jest bardzo dobrze zdefiniowane i które można kontrolować za pomocą wielkości tych materiałów. Są one już wykorzystywane w niektórych seriach telewizorów – powiedział dr hab. Wiktor Lewandowski z Zakładu Chemii Organicznej i Technologii Chemicznej Uniwersytetu Warszawskiego.

Badacz zaznaczył, że dotychczas wykorzystywano głównie związki organiczne, ale mają one kilka minusów, w porównaniu do kropek kwantowych. Przede wszystkim są mniej żywotne, ale kropki kwantowe górują nad nimi na wielu płaszczyznach. - Jeżeli naświetlimy je dosyć intensywnym światłem, to po pewnym czasie te związki organiczne przestają świecić. Pod tym kątem kropki kwantowe są dużo bardziej wydajne, jest je łatwiej modyfikować, dlatego, że korzystając właściwie z jednego materiału i jednego przepisu, a zmieniając dosłownie jeden element w tej syntezie, jesteśmy w stanie uzyskać stabilne materiały o bardzo różnych barwach emisji, które możemy dosyć długo naświetlać. Pozwalają też na coś, co nie do końca jest możliwe ze związkami organicznymi, czyli na emisję o bardzo wysokiej rozdzielczości, tzw. super rozdzielczości. Wykorzystując fakt, że kropki kwantowe przez chwilę emitują światło, później gasną, emitują, gasną – można uzyskać efekt, który pozwala na zwiększenie precyzji w obrazowaniu komórek – dodał Lewandowski.

- Dzisiejsza Nagroda Nobla to wyróżnienie osiągnięć technologii, nanotechnologii i chemii. Wszelkiego rodzaju znaczniki, które emitują światło, mogą zostać wykorzystane np. do obrazowania podczas operacji chirurgicznych bądź w badaniach biologicznych tkanek i komórek. Na pewno jest to osiągnięcie, które jest bardzo chemiczne, czyli tu w tym przypadku Nagroda Nobla z chemii rzeczywiście została przyznana chemikom, którzy dokonali odkrycia i opracowania metody syntezy takich nanocząstek – wyjaśniła dr Maria Górna z Zakładu Chemii Teoretycznej i Strukturalnej UW.

Ogromne możliwości zastosowań

- Ta nagroda jest wskazaniem na dziedzinę. Wydaje mi się, że przyczyniło się do tego to, że nanostruktury, które tutaj są nanokropkami kwantowymi, okazały się stabilne w wielu zastosowaniach. Oznacza to ogromne perspektywy. To tak, jakbyśmy cząsteczki złota obrobili na poziomie nonometrów, one w zasadzie przestają wtedy być złotem, bo mają nawet inne konfiguracje elektronowe. Półprzewodniki też mogą zmienić swój charakter. Inne jeszcze struktury wprowadzone w tak niewielkim stopniu mogą wykazywać zupełnie nowe właściwości elektronowe i zdolności do aktywacji. Myślę, że to daje ogromne możliwości zastosowań odkrycia w samej chemii. Co do medycyny, to jestem przekonany, że ta nagroda wzbudzi ogromne zainteresowanie w kierunku nowej diagnostyki medycznej. Mamy teraz ogromne zainteresowanie półprzewodnikami, nawet w energetyce słonecznej. Są też przymiarki np. do produkowania wodoru. Możemy sobie wyobrazić, że teraz będzie zupełnie inna zdolność i działanie półprzewodników. Jest też szansa na to, że z wydajności paroprocentowych wejdziemy na wydajność rzędu dziesięciu czy kilkunastu procent i to staje się już bardziej opłacalne. Jest to, moim zdaniem, sygnał dla wszystkich badaczy, którzy są blisko tej dziedziny, że może warto zająć się tym tematem w jeszcze większym stopniu – ocenił prof. dr hab. Paweł Kulesza z Zakładu Chemii Nieorganicznej i Analitycznej UW.

- Kropki kwantowe to piękne połączenie różnych obszarów chemii. Jest to teoria kwantowa, która została wykorzystana w nanotechnologii obiektów, które wywodzą się bezpośrednio z chemii nieorganicznej,a mają bardzo duże zastosowanie w chemii biologicznej, w diagnostyce medycyny. Dotyczy też zjawiska, które bardzo często jest nagradzane, jest niezwykle istotne, czyli fluorescencji, niezwykle czułej metody. Mieliśmy już przecież Nagrodę Nobla za białka fluorescencyjne. Fluorescencję możemy również obserwować w układach żywych, dzięki małocząsteczkowym związkom z chemii organicznej. W tej chwili mamy kropki kwantowe, które uzupełniają ten zestaw i z całą pewnością znajdą zastosowanie. W kontekście biologicznym kropki kwantowe również są atrakcyjne. Dzięki temu, że posiadają bardzo wąskie pasma emisji, możemy wygenerować takie światełka w bardzo różnych kolorach i dość podobne elementy wyznakować różnymi kolorami i obserwować w komórce współgranie oraz zachowanie wielu różnokolorowych elementów – zaznaczył prof. dr hab. Jacek Jemielity z Centrum Nowych Technologii UW.

Z kolei prof. dr hab. Sławomir Sęk z Zakładu Chemii Nieorganicznej i Analitycznej UW przyznał, że według niego najistotniejsze zastosowania kropek kwantowych to energetyka. – Jeśli chodzi o konkretne zastosowania, to ja widziałbym tutaj nawiązanie do fotowoltaiki czy generowania energii w ten sposób. Możemy sobie wyobrazić wykorzystanie kropek kwantowych chociażby w szybach, które znajdują się w naszych oknach. Wówczas takie funkcjonalne okna pełniłyby rolę również rezerwuarów energii – paneli, które dostarczają energię. Z punktu widzenia medycyny też możemy sobie wyobrazić mnóstwo zastosowań. Widzę duże możliwości, jeśli chodzi o obrazowanie np. zachowania komórek zmienionych nowotworowo, wyznaczonych znacznikami z kropek kwantowych albo np. śledzenie dystrybucji leków w organizmie dzięki właśnie szczególnym właściwościom fluorescencyjnym – podkreślił prof. Sęk.

 

Źródło: CWiD UW, fot. Wikimedia Commons/ CC BY-SA 2./0 David Monniaux