Moungi G. Bawendi, Louis E. Brus oraz Alexei I. Ekimov zostali w środę laureatami tegorocznego Nobla w dziedzinie chemii za odkrycie i rozwój kropek kwantowych – półprzewodnikowych nanokryształów o rozmiarach nanometrycznych, gdzie ich wielkość wpływa na ich właściwości zarówno optyczne, jak i elektronowe. Są to najmniejsze komponenty nanotechnologii, które emitują światło z ekranów telewizorów i diod QDLED. Mogą także pomóc chirurgom lekarzom w diagnostyce onkologicznej oraz celowanych terapiach antynowotworowych.

"Kropka kwantowa to nanometrycznej wielkości kryształ (o wielkości ok. 2-10 nm), w przybliżeniu sferyczny, zbudowany z materiału półprzewodnikowego o rozmiarach nanometrycznych. Czym jest nanometr, czyli jedna miliardowa część metra? Tu pomaga porównanie do wzrostu włosa ludzkiego w czasie. Zanim mężczyzna tuż po przebudzeniu sięgnie w łazience po maszynkę do golenia, jego zarost zdąży urosnąć o kilka nanometrów" – obrazuje w rozmowie z PAP prof. Janusz Lewiński z Politechniki Warszawskiej i Instytutu Chemii Fizycznej PAN.

Jego zespół potrafi wytwarzać najwyższej jakości „skrojone ma miarę” kropki kwantowe tlenku cynku (ZnO) dostosowane do różnorodnych zastosowań, od nowej generacji nanosensorów optycznych po warstwy transportujące elektrony w ogniwach słonecznych. Ponadto, naukowcy zanotowali rekordową w skali świata efektywność ogniw fotowoltaicznych, opartych na takich kropkach kwantowych.

Ekimov, fizyk ciała stałego, jako pierwszy w 1981 roku otrzymał kropkę kwantową związaną w matrycy szklanej, a następnie zbadał jej właściwości elektroniczne i optyczne. Od tego odkrycia upłynęła zaledwie dekada, a już rozpoczął się dynamiczny rozwój badań nad kropkami kwantowymi oraz poszukiwanie ich potencjalnych zastosowań. Zdaniem prof. Lewińskiego to dość szybko dla nauki, choć Nobel za te prace spodziewany był nawet wcześniej, ponieważ w technologii kwantowej dostrzeżono ogromny potencjał - szczególnie, gdy pojawiły się koloidalne kropki kwantowe stabilne w roztworach.

"Pierwsze kropki kwantowe były bardzo interesującym obiektem badań dla fizyków. Natomiast układy koloidalne, czyli otrzymane w roztworze metodami chemicznymi, stały się dostępne dla szerokiej gamy zastosowań. W 1985 roku Bruce otrzymał pierwsze koloidalne kropki kwantowe. Gdy patrzymy na roztwór - to jest on dla nas przezroczysty, ale gdy na niego zaświecimy np. lampą UV, wówczas świeci w różnych kolorach, zależnie od wielkości i składu obecnych tam kropek kwantowych" – powiedział prof. Lewiński. Dodał, że dzięki efektywnym metodom wytwarzania kropek kwantowych w sposób wysoce kontrolowany nauka mogła pokonać kolejne ograniczenia.

"Kropki kwantowe nazywane są również 'sztucznymi atomami', w których swoboda ruchów elektronów jest ograniczona i w efekcie wykazują tzw. efekt skwantowania. Nanokryształy świecą na różne kolory w zależności od ich wielkości, tzn. im mniejsza nanocząstka, tym kolor emitowanego światła przesunięty jest w kierunku barwy niebieskiej, a im większa – tym bardziej zbliżony do koloru czerwonego. W wielu przypadkach widma emisji są bardzo wąskie, stąd też ogromny potencjał do ich zastosowania" – tłumaczył chemik.

"Już w roku 1959, wybitny fizyk Richard Feynman zapowiedział nadejście czasów, kiedy to będzie można tworzyć struktury obiektów na poziomie atomowym. Kropki kwantowe są właśnie 'sztucznymi atomami', w których swoboda ruchów elektronów jest ograniczona we wszystkich trzech wymiarach. Mają właściwości z pogranicza przewodników i izolatorów oraz zdefiniowaną strukturę: składa się ona z kilkudziesięciu-kilkuset atomów określonych pierwiastków. Moungi Bawendi rozwinął syntezę kropek kwantowych zawierających m.in. kadm i selen. Są to najintensywniej badane i obecnie najlepiej poznane kropki kwantowe" - dodał.

Wśród najpopularniejszych zastosowań kropek kwantowych prof. Lewiński wymienił wyświetlacze i telewizory o wyjątkowej rozdzielczości. Zaznaczył, że niektórzy producenci stosują kropki oparte na szkodliwym metalu – kadmie. Inni szukają mniej toksycznych alternatyw.

Kropki kwantowe stanowią powszechny składnik warstw przewodzących elektrony w czujnikach, sensorach i licznych urządzeniach elektronicznych. Naukowcy nauczyli się sterować właściwościami kropek kwantowych w zależności od ich składu i wielkości. Sterować można m.in. przerwą energetyczną, czyli zdolnością przewodzenia elektronu.

"We współczesnych laserach również wykorzystywane są kropki kwantowe. Na przykład, w każdym czytniku płyt znajduje się laser półprzewodnikowy. Lasery są tym wydajniejsze, im mocniej ograniczamy swobodę ruchu elektronu, ułatwiając emisję światła. W kropkach kwantowych ten efekt jest bardzo silny" – tłumaczy ekspert.

W przyszłych zastosowaniach kropki kwantowe mogłyby stanowić źródło fotonów wysyłanych w pożądanym momencie. Już obecnie są one wykorzystywane w kryptografii kwantowej, natomiast komputery kwantowe to niedaleka przyszłość.

"W niedalekiej przyszłości spodziewana jest Nagroda Nobla za opracowanie nowej generacji ogniw fotowoltaicznych, gdzie jednym z podstawowych elementów jest warstwa przewodząca elektrony oparta na kropkach kwantowych tlenku cynku, obok warstwy perowskitowej. Takie materiały hybrydowe najwydajniej przetwarzają energię słoneczną na elektryczną" – wyjaśnia prof. Lewiński.

Dzięki osiągnięciom Louisa Brusa kropki kwantowe mogły znaleźć zastosowane w medycynie – jako nieszkodliwe i łatwo usuwalne z komórek i z organizmu, podkreślił chemik. Przypomniał, że Brus otrzymał koloidalne kropki, które dodatkowo są ustabilizowane warstwą organiczną. Dzięki temu można nimi znakować białka i struktury w komórkach żywych – choćby po to, żeby znaleźć nowotwór i zastosować terapie celowane. Takie struktury możemy też odpowiednio funkcjonalizować, czyli tak je zaprogramować, żeby uwolniły lek w określonym miejscu, na przykład w wyniku naświetlania.

"W ubiegłym roku Nagrodę Nobla przyznano za metody 'click chemistry', czyli dogodną technikę łączenia dwóch fragmentów organicznych bez dodatkowych produktów ubocznych. My na Politechnice Warszawskiej przeprowadziliśmy jako pierwsi proces funkcjonalizacji kropek kwantowych ZnO metodą typu 'click' z zachowaniem ich właściwości optycznych i elektronowych" – powiedział profesor. Jego zdaniem otwiera to kolejne możliwości zastosowań, w tym właśnie w medycynie i w pokrewnych naukach biologicznych.(PAP)

kol/ zan/ agt/