Znate li šta znači ono “Q” u QLED ekranima? Znači Nobelovu nagradu! Nobelova nagrada za hemiju 2023. za Moungija G. Bawendija, Louisa E. Brusa i Alekseja I. Ekimova za „otkriće i sintezu kvantnih tačaka“.
Svake godine, Nobelova nagrada za hemiju prepoznaje izuzetne doprinose u oblasti hemije, istraživanje koje je transformisalo naše razumijvanje prirode i promijenilo svet oko nas. U 2023. godini, ova prestižna nagrada odlazi u ruke tri izuzetna naučnika – Moungija G. Bawendija, Louisa E. Brusa i Alekseja I. Ekimova, za njihovo pionirsko otkriće i sintezu kvantnih tačaka (eng. quantum dots). Ovo otkriće je potreslo svijet materijalne nauke i obećava širok spektar primjena, od energetske efikasnosti do biomedicine. Nagrada od 11 miliona švedskih kruna će biti ravnomjerno podijeljena između ove trojice naučnika.
Objavu imena pratilo je curenje informacije prije same objave te skandalozno politizirana pitanja novinara vezano za to što je jedan Rus dobio nagradu. Iz Nobelovskog komiteta su naglasili da su oni neutralna institucija koja nagrađuje doprinos naučnim istraživanjima, a Ekimov je svakako dao velik doprinos razvoju kvantnih tačaka.
Šta su kvantne tačke?
Ili pitanje – kako nešto može biti i tačka i kvantno? Kvantne tačke su nanomaterijali koji se sastoje od malih brojeva atoma. Oni su tako mali da se kvantni efekti počinju manifestovati, što ih čini jedinstvenim u odnosu na makroskopske materijale.
To su poluprovodički nanokristali veličine nekoliko nanometara, koji imaju optička i elektronička svojstva koja se razlikuju od onih većih čestica kao rezultat kvantne mehanike.
Ovi materijali se ponašaju na način koji je fundamentalno različit od konvencionalnih materijala i imaju ogroman potencijal za razne primjene u hemiji, fizici, elektronici i biomedicini. Oni mogu apsorbovati i emitovati svjetlost u različitim talasnim dužinama, u zavisnosti od njihove veličine i hemijskog sastava. Inače, sastav su im anorganski materijali. Prati ih fenomen koji se naziva „kvantna konfinacija”, jer se na tako malom prostoru elektroni zapravo stisnu i tako dolazi do pojave kvantnih efekata. Sve ovo otvara vrata za kreiranje materijala sa specifičnim optičkim svojstvima.
Svjetlosna svojstva kvantnih tačaka već sad se koriste u kompjuterskim i televizijskim ekranima koji se temelje na QLED tehnologiji, gdje Q označava kvantnu tačku. U tim se zaslonima plavo svjetlo stvara pomoću energetski efikasnih dioda koje su priznate Nobelovom nagradom za fiziku 2014. Kvantne tačke koriste se za promjenu boje dijela plavog svjetla, pretvarajući ga u crveno ili zeleno. To omogućuje proizvodnju tri osnovne boje svjetla potrebne na televizijskom ekranu.
Slično tome, kvantne tačke se koriste u nekim LED svjetiljkama za podešavanje hladnog svjetla dioda. Svjetlo tada može postati energizirajuće poput dnevnog svjetla ili umirujuće poput toplog sjaja prigušene sijalice.
Pioniri u istraživanju kvantnih tačaka
Jedan dobitnik Nobelove nagrade za hemiju 2023. godine je Louis E. Brus, profesor hemije na Univerzitetu Stanford. Brusova istraživanja su postavila temelje za razvoj kvantnih tačaka kao svjetlosnih sondi za proučavanje materijala na nanoskopskoj skali. On je bio prvi naučnik u svijetu koji je dokazao kvantne efekte ovisne o veličini u česticama koje slobodno lebde u tekućini.
Drugi dobitnik Nobelove nagrade za hemiju 2023. godine je Aleksej I. Ekimov, profesor na Ruskom državnom univerzitetu. Njegovo istraživanje kvantnih tačaka i njihovih svojstava pri ekstremnim uslovima, poput visokih pritisaka i temperatura, doprinijelo je razumijevanju njihove stabilnosti i primjene u raznim uslovima. On je 1980-ih uspio stvoriti kvantne efekte ovisne o veličini u obojenom staklu. Boja je dolazila od nanočestica bakrenog hlorida, a Ekimov je pokazao da veličina čestica utječe na boju stakla putem kvantnih efekata.
Brus i Ekimov su otprilike u isto vrijeme došli do sličnih zaključaka. Kad su Alexei Ekimov i Louis Brus proizveli prve kvantne tačke, naučnici su već znali da one mogu – u teoriji – imati neobične karakteristike. Fizičar Herbert Fröhlich već je 1937. predvidio da se nanočestice neće ponašati kao druge čestice. Istraživao je teorijske posljedice poznate Schrödingerove jednačine, koja pokazuje da kada čestice postanu iznimno male, ostaje manje prostora za elektrone materijala. Zauzvrat, elektroni – koji su i valovi i čestice – su stisnuti zajedno. Fröhlich je shvatio da bi to rezultovalo drastičnim promjenama svojstava materijala.
Treći dobitnik je Moungi G. Bawendi, profesor hemije na MIT-u. Njegovo pionirsko istraživanje na polju kvantnih tačaka doprinijelo je razvoju metoda za kontrolu veličine, oblika i hemijskog sastava ovih materijala. Njegove inovacije omogućavaju precizni inženjering kvantnih tačaka i otvaraju vrata za njihovu primjenu u različitim tehnološkim i naučnim oblastima. Bawendi je napravio revoluciju u hemijskoj proizvodnji kvantnih tačaka, što je rezultovalo gotovo savršenim česticama. Ova visoka kvaliteta bila je neophodna da bi se mogle koristiti u industriji.
Primjene kvantnih tačaka
Nobelova nagrada za hemiju 2023. godine za kvantne tačke prepoznaje ogroman potencijal ovih materijala u raznim oblastima. Koriste se u LED ekranima a mogu i povećati efiakasnost solarnih panela. Mogu pomoći u proizvodnji tanjih solarnih panela.
Kvantne tačke se koriste za označavanje ćelija i proteina u biomedicinskim istraživanjima i dijagnostici te hirurgiji, što pomaže u ranoj detekciji bolesti i razvoju ciljane terapije. Hirurzi mogu preciznije uklanjati tumorsko tkivo zahvaljujući ovome. Biokemičari pričvršćuju kvantne tačke na biomolekule kako bi mapirali stanice i organe. Ljekari su počeli istraživati potencijalnu upotrebu kvantnih tačaka za praćenje tumorskog tkiva u tijelu. Hemičari koriste katalitička svojstva kvantnih tačaka za pokretanje hemijskih reakcija.
One imaju potencijal za upotrebu u kvantnim računarima, što bi moglo da promijeni način na koji obrađujemo i analiziramo podatke, a posebno u kvantnom šifriranju. Kvantne tačke predstavljaju izazov i priliku za istraživače širom svijeta da nastave sa istraživanjem i razvojem ovih materijala kako bi transformisali različite industrije i doprinijeli boljem svetu.
Naučnici vjeruju da bi u budućnosti mogli doprinijeti fleksibilnoj elektronici, sićušnim senzorima, tanjim solarnim ćelijama i šifriranoj kvantnoj komunikaciji. Potencijal ovih sićušnih čestica se tek počinje istraživati.
