Российские ученые прокомментировали открытия лауреатов Нобелевской премии по химии

В 2023 году лауреатами Нобелевской премии по химии стали Алексей Екимов, Мунги Бавенди и Луиc Брюс. Они были отмечены за открытие и синтез так называемых квантовых точек. Российские ученые прокомментировали это важное для науки событие и рассказали, почему за квантовыми точками будущее.

Как объяснил заведующий лабораторией гибридных фотонных наноматериалов Инженерно-физического института биомедицины НИЯУ МИФИ, кандидат химических наук Павел Самохвалов, квантовые точки — это кристаллы полупроводников различной природы, важной особенностью которых являются их размеры — от одного до двадцати нанометров. Благодаря этому кристаллы находятся в промежуточном состоянии между молекулярными и атомными системами с одной стороны и макроскопическими полупроводниками с их характерными оптическими свойствами — с другой. При этом их электронные и оптические свойства зависят от размеров наноскристалла.

«Если нанокристалл маленький, то его способность к флуоресценции или поглощению света находится в одном спектральном диапазоне, а если большой — то диапазон смещается. Соответственно, регулируя размер нанокристалла, мы можем изменять его оптические характеристики» — объяснил Павел Самохвалов.

По словам ученого, каждый из трех нобелевских лауреатов внес важный вклад в развитие темы квантовых точек. Советский и российский химик Алексей Екимов, уехавший в США в 1999 году, со своими коллегами стал первым, кто показал зависимость оптических свойств нанокристаллов от его размеров.

Он также решил проблему стабилизации этих нанообъектов. Как пояснила доцент кафедры физики конденсированных сред Института нанотехнологий в электронике, спинтронике и фотонике НИЯУ МИФИ, кандидат химических наук Александра Фрейдзон, нанообъекты сами по себе нестабильны. Это связано с тем, что количество атомов на поверхности у них сопоставимо с количеством атомов в объёме частицы — фактически, они представляют собой сплошную поверхность. И если эти объекты не стабилизировать, они просто слипаются между собой. И Алексей Екимов не только смог стабилизировать частицы хлорида меди в стекле, но и показал, что цвет получившегося стекла обусловлен размером наночастиц.

Второй ученый, Луис Брюс, предложил довольно простую с физической точки зрения теорию, которая позволяет моделировать свойства наноскристалла. Он также выполнил много экспериментальных работ, в которых показал, что такие объекты действительно можно получить. Однако эксперименты проводились не в самых удачных реакционных средах, поэтому их не получалось воспроизводить достаточное количество раз.

Исправить это помогла команда третьего ученого, Муни Бавенди, которая в 1996 году предложила метод синтеза нанокристаллов, благодаря которому у многих ученых появилась возможность получать такие объекты.

Сегодня квантовые точки»можно применять в самых разных направлениях — в том числе в быту. На самом деле, мы уже встречаем их в телевизорах и диодных лампах.

«Сейчас квантовые точки широко известны благодаря тому, что мы очень часто видим их в качестве компонентов дисплея в современных телевизорах. Интересно, что одной из основных причин, по которой производители так млеют от этой технологии, связана с яркостью изображения. Каждый производитель телевизоров стремится создать яркость, сравнимую с тем светом, который мы наблюдаем за окном. Квантовые точки в этом отношении выигрывают у жидкокристаллических дисплеев (LCD): они действительно обеспечивают гораздо яркие и насыщенные цвета. Многие считают, что именно за этой технологией будущее. Но важно, что квантовые точки сегодня находят применение и в большом спектре других задач начиная от медицины, где они используются как маркеры для диагностики резонности заболеваний, до микроэлектроники, где они являются компонентной базой перспективной прорывной электроники будущего», — рассказал проректор по стратегическому и инновационному развитию ЮФУ, кандидат химических наук Евгений Муханов.

Он добавил, что применение квантовых точек открывает новые перспективы и в создании технологий для гибкой электроники, микроскопических сенсоров, солнечных батарей, квантовых компьютеров и даже медицины.

К примеру, как рассказал доцент кафедры трансляционной медицины Инженерно-физического института биомедицины НИЯУ МИФИ, кандидат физико-математических наук Антон Залыгин, квантовые точки можно использовать как биомаркеры для визуализации и диагностики различных заболеваний, таких как рак, инфекции, болезнь Альцгеймера и другие. Дело в том, что наноскристаллы способны образовывать связи с антителами, ДНК, РНК или другими биомолекулами и специфически прикрепляться к целевым клеткам или тканям. А после возбуждаться с помощью света определенной длины волны и «отвечать» светом другой длины волны — его как раз можно уловить с помощью специальных камер и датчиков.

Заведующий Лабораторией фотоники и оптической обработки информации НИЯУ МИФИ, профессор Ростислав Стариков добавил, что благодаря технологиям с использованием квантовых точек можно создавать и новые источники света, в частности источники лазерного изучения с заданными характеристиками.

Нобелевская премия вручается с 1901 года. Она присуждается по пяти номинациям: по физике, химии, физиологии и медицине, литературе, а также за достижения в области миротворчества. Награждение проходит 10 декабря в Стокгольмской филармонии. Размер Нобелевской премии в этом году увеличится на 1 млн крон по сравнению с прошлым годом и составит 11 млн крон.