Кандидат химических наук, проректор по стратегическому и инновационному развитию ЮФУ Евгений Муханов рассказал, что такое квантовые точки, почему за ними будущее, а также какую концепцию отражает сегодняшняя Нобелевская премия.

4 октября стали известны лауреаты Нобелевской премии 2023 года в области химии. Международной награды были удостоены русский ученый Алексей Екимов и американские исследователи Мунги Бавенди, Луис Брюс за фундаментальный прорыв в области нанотехнологий – «открытие и синтез квантовых точек». Алексей Екимов, родившийся в СССР в 1945 году, работавший в Физико-техническом институте имени А.Ф. Иоффе и в Государственном оптическом институте имени С.И. Вавилова, вместе с американскими коллегами смог продемонстрировать размерно-зависимые квантовые эффекты в наночастицах.

Квантовые точки — это наночастицы, настолько маленькие, что их цвет, электрические, оптические, магнитные и другие свойства напрямую зависят от их размеров. Возможность контролировать поведение квантовых точек и материалов, из которых они состоят, позволяет эффективно использовать их в различных областях: от QLED-экранов современных телевизоров и компьютеров, светодиодных ламп до полупроводниковых лазеров, исследования тканей организма в медицине и даже точной доставки лекарств к органам через кровеносную систему.

«Квантовые точки – это полупроводниковый кристалл очень маленького размера, состоящий из очень небольшого числа атомов.  Благодаря квантовым явлениям они могут быть очень эффективными и легко тюннингуемыми, то есть настраиваемыми определенные задачи, что делает их идеальным источником света. Обычно их изготавливают из полупроводниковых материалов, таких как сульфид кадмия, арсенид индия и множества других вариантов», – пояснил кандидат химических наук, проректор по стратегическому и инновационному развитию ЮФУ Евгений Муханов.

Одно из самых удивительных свойств квантовых точек, которое многие сочтут за магию или алхимию, это их способность изменять цвет в зависимости от их размера. Этот эффект называется квантовым размерным эффектом. Как пояснил эксперт ЮФУ, когда вы подвергаете квантовые точки свету, точки находятся в состоянии возбуждения (электроны в них получают энергию), поэтому они начинают светиться. Но вот интересный момент: размер точки влияет на количество энергии, которую она может поглотить и затем испустить. Если точка маленькая, она может поглотить и испустить свет с большей энергией, что делает его ближе к синему цвету. А если точка большая, то с меньшей энергией, что делает ее ближе к красному цвету. Таким образом, изменяя размер квантовых точек, мы можем получить все цвета радуги.

«Важно, что длина волны цвета излучения зависит от размеров квантовой точки и примененного материала. Путем сочетания квантовых точек разного размера можно добиться наличия красного, зелёного или другого цвета, что дает возможность создания полного спектра цветов в пикселях. Впервые они были синтезированы в стеклянной матрице в начале 80-х годов Алексеем Якимовым, а чуть позже параллельно Луи Брюсом в коллоидных растворах, которые сегодня получили Нобелевскую премию по химии», – рассказал Евгений Муханов.

Эксперт также отметил, что применение квантовых точек открывает широкие перспективы для развития многих отраслей, включая гибкую электронику, микроскопические сенсоры, солнечные батареи, квантовые компьютеры и даже медицину:

«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».

Технологии, основанные на открытиях Алексея Екимова, Мунги Бавенди и Луиса Брюса в области квантовых точек, сегодня активно используются в научном сообществе. Они не только применяются при создании современных устройств, но и продолжают активно исследоваться, раскрывая новые неочевидные свойства. Это позволяет применять их в медицине и развития квантового интернета. Так, например, ученые из Института нанотехнологий, электроники и приборостроения ЮФУ разрабатывают способ получения одиночных квантовых точек для систем квантового интернета. С практической точки зрения важно то, что такие системы будут невероятно быстрыми и неуязвимыми для взломщиков: квантовые компьютеры, объединенные сетями квантовой связи, будут представлять собой новую всемирную паутину - квантовый интернет.

«Для меня самым главным в этой Нобелевской премии по химии является несколько важных аспектов. Во-первых, она показывает, насколько долгий и сложный путь от блестящей догадки ученых до ее реального воплощения в практических приложениях – это процесс, занимающий десятилетия. Во-вторых, это иллюстрация того, как работает «Геном науки», когда из начальной идеи в области физики, химии и науки о материалах в области квантовых точек возникает огромное количество новых применений, которые действительно влияют на нашу жизнь. Многие считают, что за этой технологией, квантовыми точками, еще множество других очень интересных применений. Поэтому сегодняшняя Нобелевская премия по химии – это иллюстрация той концепции, про которую мы много говорим в современном мире: «Геном науки» и его влияние на то, как и где мы живем», – подчеркнул Евгений Муханов.

Нобелевская премия по химии вручается с 1901 года, и этот год стал поводом для празднования выдающихся достижений в химической науке. Награждение лауреатов состоится 10 декабря.