Новости

6 октября, 2023 15:59

Попали в квантовую точку: как Алексей Екимов и его коллеги из США заложили основу современных нанотехнологий

Источник: Известия
Нобелевский комитет 4 октября назвал лауреатов премии по химии. Ими стали ученый российского происхождения Алексей Екимов и его коллеги из США Луис Брюс и Мунги Бавенди. Первому еще в Советском Союзе удалось открыть, а двум другим — позже синтезировать квантовые точки. Это мельчайшие полупроводниковые кристаллы, которые сейчас широко применяют в современных дисплеях и квантовых компьютерах, также у этих структур есть широкий потенциал в биологических исследованиях. Интересно, что за час до объявления имен лауреатов письмо с результатами утекло в Сеть — вероятно, Шведская королевская академия наук по ошибке раньше времени разослала его коллегам.
Объявление лауреатов Нобелевской премии по химии 2023 года. Фото: Global Look Press/TT/Claudio Bresciani

Точечное попадание

Нобелевская премия по химии 2023 года присуждена ученому российского происхождения Алексею Екимову и его американским коллегам Луису Брюсу и Мунги Бавенди за открытие и синтез квантовых точек — полупроводниковых кристаллов размером в миллиардные доли метра, состоящих из нескольких тысяч атомов. Они способны поглощать свет в широком диапазоне, а излучать его в узком интервале длин волн, который определяется размерами нанокристалла. Таким образом, та или иная квантовая точка светится строго определенным цветом.

Как пояснил «Известиям» заместитель заведующего кафедрой химической физики МФТИ Виктор Надточенко, с эффектом квантовых точек человечество было знакомо задолго до того, как физики открыли эти объекты.

«В Древнем Египте дамы делали пудру, которую накладывали на веки для красоты и защиты от солнца, из материала, изменявшего свой цвет в зависимости от размеров помола. Это свойство как раз объясняется эффектом квантовых точек. А, например, в знаменитой картине Ван Гога «Подсолнухи» используется красящее вещество на основе кадмия, которое он, скорее всего, растирал до размера квантовых точек. В целом такие материалы бытуют в природе и используются давно, особенно художниками», — сказал Виктор Надточенко.

У квантовых точек множество интересных и необычных свойств, отметил Йохан Оквист, председатель Нобелевского комитета по химии. По мнению его представителей, открытия этих ученых «приносят наибольшую пользу человечеству», как это и завещал Альфред Нобель. Исследователи полагают, что «в будущем квантовые точки станут основой гибкой электроники, крошечных датчиков, более тонких солнечных элементов и зашифрованной квантовой связи» и изучение их потенциала пока в самом начале.

«На сегодняшний момент квантовые точки нашли множество применений в QLED-телевизорах, в качестве маркеров в медицине, а теперь и в активных средах лазеров и фотосенсорах, последними мы активно занимаемся», — рассказал заведующий лабораторией квантовой фотосенсорики МФТИ Виктор Попов.

Свой в среде своих

Алексею Екимову 78 лет, он работал в ФТИ имени Иоффе и в Государственном оптическом институте имени Вавилова, с 1999 года — главный научный сотрудник компании Nanocrystals Technology Inc., США. Мунги Бавенди работает в Массачусетском технологическом институте, Луи Брус — в Колумбийском университете.

Как указано в пресс-релизе Нобелевского комитета, физики давно знали, что теоретически в наночастицах могут возникать квантовые эффекты, зависящие от размера, но на ранних этапах было практически невозможно делать подходящие для этого структуры. Поэтому мало кто верил, что эти знания найдут практическое применение.

В начале 1980-х годов Алексею Екимову удалось создать размернозависимые квантовые эффекты в цветном стекле. Цвет исходил от наночастиц хлорида меди, и Екимов продемонстрировал, что размер частиц влияет на цвет стекла посредством квантовых эффектов.

Несколько лет спустя Луи Брюс стал первым ученым в мире, доказавшим размернозависимые квантовые эффекты в частицах, свободно плавающих в жидкости. В 1993 году Мунги Бавенди совершил революцию в химическом производстве квантовых точек, в результате чего появились почти идеальные частицы, подходящие для практических применений.


Хайнер Линке, председатель Нобелевского комитет по химии, представляет открытие нобелевских лауреатов по химии 2023 года во время пресс-конференции в Королевской академии наук в Стокгольме. Фото: Global Look Press/TT/Claudio Bresciani

Алексей Иванович Екимов — один из плеяды ученых старой формации, который любое дело доводил до успеха, рассказала доктор физических наук, главный научный сотрудник Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе (Санкт-Петербург) Татьяна Шубина, работавшая вместе с нобелиатом. В частности, в 1976 году он получил Государственную премию СССР за исследование явлений, связанных с оптической ориентацией спинов электронов и ядер в полупроводниках.

«К сожалению, в 1999 году переехал в США. Но начинал свои работы в области квантовой физики еще в России. В частности, в 1989 году защитил докторскую диссертацию по теме «Квантовые размерные явления в полупроводниковых микрокристаллах». Он тогда назвал это микрокристаллами, потому что приставка «микро» относилась ко всему маленькому», — сообщила она.
После своего отъезда в США Алексей Иванович продолжал активно сотрудничать с российскими коллегами, часто приезжал на научные конференции и участвовал в совместных программах.

Средства против рака и электроника будущего

Как рассказал «Известиям» ведущий научный сотрудник лаборатории фотоники кванторазмерных частиц МФТИ Иван Шуклов, свойства квантовых точек сегодня используются в большинстве современных дисплеев и телевизоров.

«Спектральные свойства квантовых точек зависят от их размера. Одно из самых популярных веществ, из которого делают дисплеи, — это селенид кадмия. Варьируя размеры его частичек от 3 до 5 нанометров, получают точки, которые излучают или поглощают синий, зеленый или красный свет. То есть это самая популярная сейчас классическая RGB-схема (red, green, blue) для дисплеев. В большинстве современных телевизоров используется именно она», — сказал Иван Шуклов.

Источник: Гавриил Григоров/ТАСС

По словам специалиста, недавно на основе квантовых точек начали выпускать камеры, работающие в инфракрасном диапазоне. Их можно использовать, например, для контроля качества продукции или ориентации в условиях плохой видимости. Также из них пытались делать солнечные батареи, но они оказались слишком дорогими. В будущем с помощью открытого нобелевскими лауреатами эффекта можно будет создать устройства для мониторинга утечек газа или разливов нефти.
«Квантовые точки можно назвать российским изобретением, которое сделал Екимов. Его соавтору Алексею Эфросу не досталось части премии, но в текущей обстановке, если кому-то из российских ученых ее дали, это большое достижение», — сказал Иван Шуклов.
Медицинское применение квантовых точек основано на уникальной возможности придать их поверхности практически любые свойства и при этом оставить яркий флуоресцентный сигнал. Самое распространенное — возможность визуализации в организме. За счет квантовых точек можно подсветить положение раковой опухоли и метастаз, отследить ход препарата онкотерапии к опухоли. Их также используют как детекторы эффективности лечения. Квантовые точки визуализируют эффективность трансплантации роговицы. Возможно подсветить даже трансплантированную стволовую клетку, что важно для регенеративной медицины, пояснила старший научный сотрудник лаборатории общей и неорганической химии Института химии СГУ им. Н.Г. Чернышевского, грантополучатель Российского научного фонда Ольга Горячева.

Источник: Александр Демьянчук/ТАСС

«Мы используем квантовые точки для разработки аналитических систем. Они способны привязаться к антителу и быть использованы в иммунохимических тест-методах. К примеру, как тест на коронавирус. Преимущество заключается в цвете. Квантовые точки разного цвета свечения, и если к ним прикрепить разные антитела, то в одном тесте можно проверить сразу несколько аналитов», — сообщила специалист. Она отметила, что есть еще одна интересная технология. Квантовая точка сама по себе может быть чувствительной. Интенсивность ее свечения будет зависеть от нахождения в растворе определенного вещества. «Мы как раз в рамках проекта РНФ разрабатываем данную технологию. Синтезируем квантовые точки разного состава, выбираем оптимальный размер и цвет флуоресценции, ищем лучшую поверхность, чтобы повысить чувствительность», — пояснила Ольга Горячева
20 февраля, 2024
Марганцевый катализатор поможет производить силиконы для медицины под действием солнечного света
Ученые выяснили, что синтезировать силиконы можно при комнатной температуре и солнечном свете с помо...
20 февраля, 2024
В ИТМО научились предсказывать свойства углеродных наночастиц для диагностики рака
Ученые ИТМО разработали новый подход к получению углеродных наночастиц с заданными оптическими свойс...