Letošní Nobelova cena za chemii putuje rovným dílem mezi trojici vědců, kteří byli oceněni za svůj výzkum v oblasti kvantových teček, které jsou významným přínosem pro moderní nanotechnologie.
Společným tématem výzkumníků M. G. Bawendiho, Louise E. Bruse a Alexeje I. Ekimova, kteří jsou laureáty Nobelovy ceny za chemii pro rok 2023, jsou kvantové tečky. Jde o nanočástice vytvořené z polovodičových materiálů, které lze dále modifikovat, čímž získají rozdílné fyzikálně-chemické vlastnosti. Tyto parametry byly v rámci teoretických studií predikovány již dříve, praktické využití pro kvantové tečky však bylo donedávna považováno na nereálné. Průlom v oblasti nanotechnologií však vše změnil.
BREAKING NEWS
The Royal Swedish Academy of Sciences has decided to award the 2023 #NobelPrize in Chemistry to Moungi G. Bawendi, Louis E. Brus and Alexei I. Ekimov “for the discovery and synthesis of quantum dots.” pic.twitter.com/qJCXc72Dj8— The Nobel Prize (@NobelPrize) October 4, 2023
Laureáti postupně navazovali na vlastní výzkumy
Pro pochopení příběhu trojice vědců, kteří za oceněným výzkumem stojí, se musíme vypravit dále do minulosti. Již v 19. století měla odborná veřejnost povědomí o tom, že barevné sklo obsahující nejrůznější příměsi kovů lze snadno využít k odfiltrování konkrétních vlnových délek z běžného světelného paprsku. Teprve později však bylo zjištěno, že na spektrální chování skla mají významný vliv nanočástice, které se při jeho výrobě v materiálu tvoří.
Kvantové tečky jsou spojovacím článkem mezi nanotechnologiemi a polovodiči. Zdroj: Unsplash
Byl to pak právě Ekimov, kdo se rozhodl prozkoumat tyto vlastnosti z kvantového hlediska. Díky tomu se mu podařilo vyrobit různě barevná skla pouze za pomoci jedné látky – chloridu měďnatého. Klíč totiž tkvěl ve velikosti použitých nanočástic. Na práci Ekimova dále navázal Louise Bruse, který tyto kvantové efekty vztáhl také na částice suspendované v tekutinách. Bawendi pak na počátku 90. let přišel s chemickým procesem přípravy nanočástic ve vysoké kvalitě. Technologie jejich výroby byla postupně zdokonalována, až kombinací polovodičových znalostí vznikly zmíněné kvantové tečky.
Využití kvantových teček v současné technice
S postupným rozvojem analytických metod a přístrojového vybavení laboratoří vědci zjistili, že barevné efekty kvantových teček jsou udány množstvím prostoru, které mají elektrony v částicích k dispozici. Zmenšováním velikosti dochází k posunu barevné škály k modrým vlnovým délkám. Naopak velké tečky svítí barvou červenou. Tento vzorec lze přitom pozorovat u všech látek používaných k výrobě kvantových teček, nezávisle na původním materiálu. Jak lze tedy této vlastnosti využít?
Ilustrační obrázek ukazuje, jaký vliv má velikost kvantových teček na jejich barevné vlastnosti. Zdroj: Se souhlasem Královské švédské akademie věd
Již dnes se lze s kvantovými tečkami setkat v nejmodernějších QLED displejích, které na jejich principu přímo fungují, či u některých druhů LED osvětlení. Své uplatnění pak našly také ve zdravotnictví, kde slouží k mapování biologických tkání. Podle odborníků však tyto nanočástice na svůj velký boom stále čekají. Do budoucna by se mohly stát základem ohebných displejů, součástí drobných článků či senzorů či dokonce kvantové komunikace se silným šifrováním. Kromě barevné škály se totiž s velikostí kvantových teček mění i jejich další vlastnosti, například teplota tání či redoxní potenciál. Práce Bawendiho, Bruse a Ekimova je tak pomyslnou první vlaštovkou, která do oboru elektrochemie přináší dosud nepředstavitelné možnosti.
