Подсвечивают опухоли и делают экраны ярче: чем ценны квантовые точки, открытые нобелиатом Алексеем Екимовым?
4 октября Нобелевский комитет объявил лауреатов Нобелевской премии по химии 2023 года. В числе удостоенных главной научной награды оказался проживающий в США выходец из СССР – физик Алексей Екимов. Вместе с ним премию получили его американские коллеги – химик Муни Бавенди из Массачусетского технологического института и физик Луис Брюс из Колумбийского университета. Премию ученым присудили за открытие и синтез квантовых точек. В Королевской академии наук Швеции это открытие назвали «фундаментальным в сфере нанотехнологий». О том, что такое квантовые точки, какое значение они имеют для оптики и к чему привели эксперименты Екимова со стеклом – рассказывает MIR24.TV.
Кристаллы в несколько нанометров: первые опыты со стеклом
Сейчас Алексею Екимову 78 лет, 60 из них он посвятил науке. Будущий нобелиат родился 28 февраля 1945 года в Ленинграде. В 1967-м, в возрасте 22 лет, он окончил физический факультет Ленинградского государственного университета (ныне СПбГу), где учился на кафедре молекулярной физики. В 1974 году Екимов защитил диссертацию по теме «Оптическая ориентация спинов носителей в полупроводниках» и стал кандидатом физико-математических наук. Спустя 15 лет, в 1989-м, он стал доктором наук, защитив диссертацию по теме «Квантовые размерные явления в полупроводниковых микрокристаллах».
Алексей Екимов специализируется в области физики твердого тела и оптики, он – автор более 100 научных работ и нескольких изобретений. В 1976 году ученый был удостоен Государственной премии СССР за цикл работ «Обнаружение и исследование новых явлений, связанных с оптической ориентацией спинов электронов и ядер в полупроводниках». Исследования заняли у него четыре года.
Свои первые крупные открытия Екимов сделал во время работы в Государственном оптическом институте им. С. И. Вавилова, где он трудился с 1977 года. Уже тогда он начал активно интересоваться оптическими и электрическими свойствами стекла. Так, Екимов совместно с физиком Алексеем Онущенко разработал и применил на практике метод получения кристаллов в стеклообразных матрицах. Суть метода заключается в том, что регулируя температуру и время термообработки стекол, активированных полупроводниками, можно получать кристаллы с размерами в пределах широкого спектра – от единиц до десятков и более нанометров.
Это открытие получило высокие оценки в научном сообществе, а выдающийся советский и российский физик Жорес Алферов назвал Екимова первооткрывателем полупроводниковых точек. Позже их назовут квантовыми точками.
Светят дольше и не «выгорают»: необычные свойства нанокристаллов
Изучая свойства стекол, содержащих нанокристаллы полупроводников, Алексей Екимов смог увидеть взаимосвязь между размерами этих кристаллов и параметрами их поглощения. Совместно с советским и американским коллегой Александром Эфросом Екимов описал свои наблюдения и дал им научное обоснование. В числе прочего он установил, что нанокристаллы проявляют квантовые свойства и ведут себя подобно «искусственным атомам».
В 1981 году Алексей Иванович совершил открытие, которое произвело настоящую революцию в сфере исследований оптических свойств стекла. В ходе ряда опытов ему удалось вырастить в стеклах квантовые точки в виде крошечных кристаллов хлорида меди. Эти наночастицы придавали стеклу различные цвета. Екимов наглядно продемонстрировал, что размер частиц влияет на цвет стекла посредством квантовых эффектов.
Разберем чуть подробнее, что же собой представляют квантовые точки. В физике под ними понимают фрагменты проводника или полупроводника размером в несколько нанометров, которые способны к флуоресценции при возбуждении в довольно широкой области спектра. Влияние квантовых эффектов на оптические свойства квантовых точек определяется их размером.
Проще говоря: квантовая точка – это полупроводник, электрические характеристики которого зависят от его размера и формы. Регулируя размер квантовой точки, мы можем изменять цвет испускаемого ею света.
Основное преимущество полупроводниковых нанокристаллов – яркость и высокая фотостабильность: по сравнению с флуоресцентными красителями, они светят дольше и не «выгорают». Кроме того, ими легко управлять, так как их спектральные свойства напрямую зависят от размера – то есть, меняя размер квантовых точек, можно изменять их свойства.
Как открытие квантовых точек изменило нашу жизнь?
После того как Екимов доказал, что размер наночастиц хлорида меди влияет на оттенок стекла, его исследования продолжили в Соединенных Штатах. Уже через несколько лет физик Луис Брюс провел аналогичные исследования, но уже в жидкой среде. Он стал первым ученым в мире, доказавшим размерно-зависимые квантовые эффекты в частицах, свободно плавающих в жидкости. А в 1993 году Муни Бавенди добился значительных результатов в химическом производстве квантовых точек.
Сегодня квантовые точки широко применяются в оптике, оптоэлектронике, микроэлектронике, полиграфии, энергетике, а также в медицине и биологии. Оптические свойства мельчайших нанокристаллов часто оказываются незаменимы в тех сферах, где требуется удобная, перестраиваемая люминесценция. К примеру, квантовые точки способны проникать в разные части клеток и окрашивать их в разные цвета. Сегодня их все чаще используют в качестве биомаркеров для визуализации в медицине, например, для окрашивания опухолей или аутоиммунных антител. Еще одна область применения – доставка лекарств к нужным тканям. Лекарственные препараты прикрепляют к наночастицам, что позволяет более точно нацеливать их на опухоли.
Кроме того, квантовые точки используются при производстве компьютерных мониторов и телевизоров, работающих на основе технологии QLED. Благодаря наночастицам качество изображения заметно улучшается, а уровень яркости возрастает. Также они применяются при создании светодиодных ламп.
Ученые полагают, что в будущем открытие квантовых точек сильно расширит спектр доступных человеку технологий: позволит создавать гибкую электронику, микроскопические датчики, более тонкие солнечные элементы и зашифрованную квантовую связь. Предполагается, что они найдут применение в молекулярной медицине, биологических исследованиях и послужат основой многих наноустройств будущего.
