Ученые НИЯУ МИФИ комментируют Нобелевскую премию по химии

4 сентября были объявлены лауреаты Нобелевской премии по химии, которыми стали работающие в США ученые — Алексей Екимов, Мунги Бавенди и Луиc Брюс за открытие и синтез так называемых «квантовых точек».

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 является то, что их размеры находятся в пределах от одного до двадцати нанометров.

Благодаря таким размерам по своей физической природе квантовые точки 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 нанокристалла.

«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» — поясняет Павел Самохвалов.

По словам ученого, каждый из трех нобелевских лауреатов внес важный вклад в развитие темы квантовых точек. Наш бывший соотечественник Алексей Екимов со своими коллегами был первый, кто показал эффект размерного квантования, то есть зависимости оптических свойств нанокристаллов от его размеров. Второй ученый Луис Брюс предложил довольно простую с физической точки зрения теорию, объясняющую и позволяющую моделировать эти свойства, и потом выполнил много экспериментальных работ, в которых, показал, что действительно можно получать такие объекты.

Но поскольку это делалось им в не совсем удачных реакционных средах, ему не удавалось делать эксперименты воспроизводимыми в больших количествах. Команда третьего ученого, Муни Бавенди, в 1996 году предложила метод синтеза нанокристаллов, благодаря которому уже многие группы ученых получили возможность получать такие же объекты.

Доцент кафедры физики конденсированных сред Института нанотехнологий в электронике, спинтронике и фотонике НИЯУ МИФИ, кандидат химических наук Александра Фрейдзон напоминает, что существование квантовых точек, также как квантовых ям и проводов следует из решения уравнения Шрёдингера при изменении граничных условий: при ограничении в одном направлении получается квантовая яма, в двух — квантовый провод, а в трех — квантовая точка. Нобелевская премия по физике 2000 г Жоресу Ивановичу Алферову присуждена за полупроводниковые гетероструктуры, в которых могут проявляться эффекты квантовых ям.

С практической реализацией квантовых точек главная проблема в том, что у наноразмерных объектов соотношение поверхности с объемом таково, что количество атомов на поверхности сопоставимо с количеством атомов в объёме частицы. «Фактически, это сплошная поверхность. А у атомов на поверхности, в отличие от тех что в объёме, есть свободные валентности. Поэтому нанообъекты сами по себе нестабильны, их требуется каким-то образом стабилизировать. Без этого наночастицы слипаются между собой» — разъясняет Александра Фрейдзон. Способ стабилизации нашел Алексей Екимов, который стабилизировал частицы хлорида меди в стекле и показал, что цвет получившегося стекла обусловлен размером наночастиц.

Кандидат физико-математических наук, доцент кафедры трансляционной медицины Инженерно-физического института биомедицины НИЯУ МИФИ Антон Залыгин констатирует, что в быту мы уже привыкли к использованию квантовых точек в телевизорах и диодных лампах, но квантовые точки могут быть использованы как биомаркеры для визуализации и диагностики различных болезней, таких как рак, инфекции, альцгеймер и другие.

Они могут быть связаны с антителами, ДНК, РНК или другими биомолекулами и специфически прикрепляться к целевым клеткам или тканям. Затем они могут быть возбуждены светом определенной длины волны и излучать свет другой длины волны, который можно обнаружить с помощью специальных камер или датчиков.

Антон Залыгин также перечисли много других направлений возможного применения квантовых точек. Они могут быть использованы как кубиты для квантовых вычислений, так как они могут находиться в суперпозиции двух состояний (0 или 1) и взаимодействовать с другими кубитами через квантовую запутанность. Их можно применять для генерации одиночных фотонов, которые могут служить носителями квантовой информации.

Квантовые точки могут повысить эффективность солнечных элементов, так как они могут поглощать широкий спектр солнечного излучения. Кроме того, квантовые точки могут быть использованы для создания солнечных батарей нового поколения, которые могут быть гибкими, прозрачными и дешевыми .

«Как в Инженерно-физическом институте биомедицины МИФИ, так и в Институте биоргнаической химии РАН мы постоянно используем эти наночастицы, исследуя их свойства, создавая на их основе новые наноматериалы и применяя их в биологии и медицине» — косттатирует Антон Залыгин.

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