جایزه نوبل شیمی امسال به طور مشترک به پیشگامان فناوری نانو، مونگی باوندی، لوئیس بروس و الکسی اکیموف برای کشف و سنتز نقاط کوانتومی اعطا شد. با این حال، خبر پیروزی آنها حدود دو ساعت قبل از اعلام رسمی، در یک بیانیه مطبوعاتی که توسط آکادمی سلطنتی علوم سوئد به اشتباه برای یک روزنامه سوئدی ارسال شد، فاش شد.
چرا نقاط کوانتومی برنده جایزه نوبل ۲۰۲۳ شده اند؟
جایزه نوبل شیمی امسال به سه دانشمند آمریکایی تعلق گرفت: مونگی باوندی در موسسه فناوری ماساچوست، لوئیس بروس در دانشگاه کلمبیا، و الکسی اکیموف دانشمند ارشد فناوری نانوبلورها که قبلاً درموسسه تحقیقات نور در ایالت واویلوف سن پترزبورگ روسیه کار کرده بود. این جایزه برای «کشف و سنتز نقاط کوانتومی» به آنها اعطا شد – اما نقاط کوانتومی چیست و چرا ارزش دریافت جایزه نوبل را دارند؟
نقاط کوانتومی ، کریستال های کوچکی از مواد نیمه رسانا هستند. آنقدر کوچک که فقط چند نانومتر عرض دارند و الکترونهای موجود در ماده را تا حدی محدود و رفتار آنها را تغییر میدهند. این بدان معناست که پدیدههای کوانتومی ویژگیهای این بلورهای ریز را تعیین میکنند واز این رو نقاط کوانتومی نامیده میشوند.
مقدار محدود شدن الکترون به اندازه ذره بستگی دارد، بنابراین تغییر اندازه ذره خواص آن را به روشی قابل پیش بینی تغییر می دهد. از این ویژگی میتوان برای تنظیم شکاف نواری نیمهرسانا استفاده کرد تا نقطهها هنگام روشن شدن توسط یک منبع تک طول موج، رنگهای مختلف نور ساطع کنند – نقاط کوچکتر نور آبی ساطع میکنند، در حالی که نقاط بزرگتر در انتهای طیف مرئی نور قرمزساطع میکنند. نقاط ذوب آنها و توانایی آنها در انتقال الکترون نیز می تواند به این روش تغییر یابد.
مانند سایر نیمه هادی ها، نقاط کوانتومی تمایل دارند از ترکیب فلزات واسطه و عناصر فلزی ساخته شوند. سلنید کادمیوم و تلورید کادمیوم از جمله موادی هستند که به طور معمول استفاده می شوند.
نقاط کوانتومی در زمره نانوذرات هستند اما هر نانوذره ای یک نقطه کوانتومی نیست. فقط برخی از مواد (مانند نیمه هادی ها) چنانچه به اندازه های در مقیاس نانو تبدیل شوند ساختار الکترونی شان اثرات اندازه کوانتومی را نشان می دهند.
نقاط کوانتومی جایزه نوبل ۲۰۲۳ برد چرا که از نقطه نظر کاملاً بنیادی، مواد مهمی اند که شکاف بین ماده در مقیاس اتمی و مولکولی و ماده حجیم را پر می کنند. و به لطف ویژگیهای نوری و الکترونی بسیار قابل تنظیم، نقاط کوانتومی در مجموعهای از فناوریها کاربرد پیدا کردهاند.
یکی از شناختهشدهترین کاربردهای آنها در تولید صفحههای تلویزیون QLED است که در آن نقاط با اندازههای مختلف توسط نور آبی برانگیخته میشوند و سپس نورهای قرمز و سبز خالص ساطع میکنند تا خروجی از سه رنگ درپیکسلها ی صفحه تلویزیون ارائه کنند. اما آنها همچنین در بیوتکنولوژی، کاتالیز، حسگرها، سلول های خورشیدی و موارد دیگر کاربرد دارند. به طور خاص، کمیته نوبل استفاده از نقاط کوانتومی را در دستگاههای پزشکی که برای نقشهبرداری از بافتهای بیولوژیکی مد نظر قرار داده است،زیرا فلورسانس این نقاط روشنتر و مانده گارتر از سایر فلورسنت ها مانند فلوروفورهای مولکولی است. این بدان معناست که آنها می توانند به عنوان مثال در هنگام برداشتن تومورها به جراحان کمک کنند.
در سال ۲۰۲۱، فروش جهانی نقاط کوانتومی حدود ۴ میلیارد دلار بود، رقمی که پیش بینی می شود تا سال ۲۰۲۶ دو برابر شود.
از دیدگاه شیمی، نقاط کوانتومی برای انواع کاربردهای مختلف – از تبدیل گرما به الکتریسیته گرفته تا تولید جوهر چاپگر سه بعدی ساطع کننده نور، بررسی شده است. آنها همچنین فوتوکاتالیستهای تحقیقاتی گستردهای هستند که حتی در برخی موارد میتوانند واکنشهای تشکیل پیوند کربن-کربن را با کارایی بیشتری نسبت به کاتالیزورهای فلزات گرانبها کاتالیز کنند.
محققان از دهه ۱۹۳۰ پیشبینی کرده بودند که اثرات کوانتومی وابسته به اندازه باید در ذراتی با اندازه چند نانومتر مشاهده شود. اما در آن زمان هیچ راهی برای تولید مواد در این مقیاس کوچک وجود نداشت. با پیشرفت در قرن بیستم، اولین مشاهدات اثراین ویژگی در لایه های نازک و روی سطح مواد حجیم انجام شد – سهم جایزه نوبل فیزیک که در سال ۲۰۰۰ به ژورس آلفروف و هربرت کرومر اهدا شد، کار آنها را بر روی این نوع نیمه هادی ها ناهم ساختارها به رسمیت شناخت.
در اوایل دهه ۱۹۸۰، الکسی اکیموف برای اولین بار اثرات اندازه کوانتومی را در حالی که در موسسه تحقیقات نور دولتی واویلوف در سن پترزبورگ کار می کرد در نانوذرات شناسایی کرد. او در حال انجام آزمایش هایی بر روی شیشه دوپ شده با کلرید مس بود. با تغییر دما و سرعت تشکیل شیشه، تیم اکیموف میتوانست اندازه بلورهای کلرید مس را که درون ماتریکس شیشه تشکیل میشوند، کنترل کنند. در طی آزمایشات اشعه ایکس روی این مواد، او متوجه شد که طول موج خطوط جذب کلرید مس بسته به اندازه بلورها متفاوت است، که اکیموف آن را به اثرات اندازه کوانتومی نسبت داد.
در همین حال، لوئیس بروس روی سیستم های کلوئیدی کار می کرد که در آن مواد نیمه رسانا در مایعات معلق بودند. در سال ۱۹۸۳، بروس اثرات اندازه کوانتومی را در آزمایشهای خود با ذرات سولفید کادمیوم مشاهده کرد و خاطرنشان کرد که خواص نوری CdS کلوئیدی یک شبه تغییر کرده است زیرا کریستالها حل شده و سپس به صورت بلورهایی تقریباً سه برابر بزرگتر رسوب کردهاند. آنالیزهای طیفسنجی تفاوتهایی را بین رفتار جذبی دو مجموعه کریستال نشان داد که ناشی از تأثیرات اندازه کوانتومی است.
در سال ۱۹۹۳، باوندی ابزاری را برای تولید بلورهای سلنید کادمیوم با کنترل تقریباً کامل بر اندازه آنها توسعه داد. این روش شامل تزریق پیش سازهای آلی فلزی به یک حلال داغ بود. این تکنیک «تزریق داغ» کنترل نقطه هستهزایی کریستال را امکان پذیر کرد، چرا که محلول به سرعت به نقطه فوق اشباع میرسید و نقاط کوانتومی با اندازه تقریبا یکنواخت تولید می کرد. این کشف راه را برای استفاده از نقاط کوانتومی در کاربردهای دنیای واقعی باز کرد.
