Игорь Лалаянц
Квантовая точка с кадмиевой сердцевиной. Зеленым цветом условно показаны разнонаправленные спины добавки марганца. Иллюстрация Physorg
Лауреатами Нобелевской премии по химии в 2023 году стали Мунги Бавенди, Луис Брус и Алексей Екимов (все работают в США). Премия присуждена за открытие и синтез квантовых точек.
Квантовые точки – это полупроводниковые частицы размером в несколько нанометров (миллиардные доли метра), которые способны к флуоресценции при возбуждении в довольно широкой области спектра. Их преимущество – яркость и высокая фотостабильность, поэтому они светят долго и не «выгорают» в сравнении с флуоресцентными красителями. Ими легко манипулировать, поскольку их спектральные свойства напрямую зависят от размера.
Полвека назад еще не придумали привычного теперь понятия квантовые точки и аббревиатуры 3D. Поэтому Алексей Екимов, сотрудник одного из ленинградских институтов, писал в своей статье, опубликованной в советском солидном академическом журнале, о трехмерных микрокристаллах полупроводников, показавших уникальный квантовый эффект размерности. Так его теоретически описал в 1937 году, исходя из решения уравнения Эрвина Шредингера, молодой немецкий теоретик Герберт Фрёлих. Он исходил из того, что с уменьшением размеров частиц материи электроны «теряют» пространство и начинают сближаться друг с другом, что должно порождать неожиданные квантовые эффекты.
В 1934 году, после смены власти в Германии, советский физик-теоретик Яков Френкель пригласил талантливого теоретика в Ленинград, где тот проработал год и перебрался в Англию, в Бристольский университет, к Невиллу Мотту, будущему нобелевскому лауреату. По прошествии времени Фрёлиха взял к себе в университет Ливерпуля другой нобелевский лауреат – Джеймс Чедвик…
Приятно увидеть среди лауреатов нынешнего года русскую фамилию – Алексей Екимов (1945 г.р.) – «советский и американский ученый, специалист в области физики твердого тела и оптики, доктор физико-математических наук», как аттестует его Википедия. Алексей Иванович – лауреат Госпремии 1976 года – за цикл работ «Обнаружение и исследование новых явлений, связанных с оптической ориентацией спинов электронов и ядер в полупроводниках»; лауреат Премии Вуда (присуждается международным Оптическим обществом) 2006 года – за «открытие нанокристаллических квантовых точек и пионерские исследования их электронных и оптических свойств». Это первая Нобелевская премия отечественному ученому за 13 лет. И всего лишь вторая – по химии для отечественных ученых за всю историю нобелевских наград: первую в 1955 году получил академик Николай Семенов за развитие теории цепных реакций.
Вот и Алексей Екимов, родившийся в победном 1945-м, перебрался в 1999 году на работу за океан, где стал сотрудником одной из нанотехнологических компаний в Нью-Йорке. Там он воплощал идеи, положенные в основу докторской диссертации. Речь шла о разработке методов контроля качества кадмиевых полупроводников путем измерения их поглощения света. Нагрев цветных стекол до 500–700 градусов менял их свойства: рассеяние лучей меняется в результате образования в веществе кристаллов хлорида меди ничтожно малого размера (от 2 до 30 нанометров). Поскольку поглощение света зависело от размера частиц, Екимов заявил, что это находится в полном соответствии с идеей Фрёлиха. Так в 1981 году его с сотрудником статья появилась в «Журнале экспериментальной и теоретической физики» (ЖЭТФ). Авторы не знали, что они тем самым «застолбили» свой авторитет в новой для мировой науки области будущих нанотехнологии и получения квантовых точек, или QD – Quantum Dots.
Для нобелевских судей вопрос приоритета всегда стоял на первом плане, поэтому они обратили внимание на то, что Луи Брус опубликовал свою статью в 1983 году, ничего не зная о чуть более ранней работе коллеги. Ученый из Колумбийского университета Нью-Йорка тоже стремился уменьшить размеры частиц кадмиевого сульфида, справедливо полагая, что уменьшение суммарно увеличит общую поверхность частиц и количество поглощаемого света. Но мимо его внимания также не прошел тот факт, что уменьшение размера ведет к изменению оптических свойств частиц в жидкости. Много позже выяснилось, что уменьшение размера с увеличением поверхности ведет к их самосборке. Сейчас в связи с наградой вспоминают, что античные мастера получали стекло разных цветов, добавляя в него разные количества кадмия.
Все это было хорошо, но, по мнению многих экспертов, не сулило никакого практического «выхлопа». Дело в том, что не было технологии получения наночастиц. Только в 1993 году Мунги Бавенди, французский химик, перебравшийся после Парижского университета за океан в Массачусетский технологический институт, разработал технологию быстрого и дешевого получения квантовых точек. Достоинство технологии не только в простоте, но также и в том, что она позволяет получать частицы с гладкой поверхностью и правильной сферической формы, что дает возможность максимально реализовать их квантовые свойства.
Другие нобелевские лауреаты предложили токопроводящую органику, что позволило наряду с QLED (квантовыми) получать и органические светодиоды (OLED), широко используемые в наноэлектронике. Изменение цветов квантовых точек дает три основных цвета для телевизионных экранов, сигнализирует о направлении протекания химических реакций и активности специфических протеинов в клетках. Квантовые точки, как надеются, станут основой квантовой не дешифруемой коммуникации. Так что скептики, не видевшие перспектив реального воплощения глубоких теоретических изысканий, в очередной раз посрамлены созвездием лауреатов, которые занялись решением столь интригующей задачи.
