Нобелевская премия 2023 по химии: квантовые точки в экране телевизора

Что такое квантовая точка

Обычно свойства вещества не зависят от размера куска. Золотой слиток и золотое колечко одного цвета, железный гвоздь и железная балка одинаково ржавеют. Но если раздробить вещество до кусочков в несколько нанометров, где всего несколько тысяч атомов, начинаются чудеса.

В таких крохотных кристаллах электронам становится тесно. По законам квантовой физики их энергия зависит от размера «коробки», в которой они заперты. Чем меньше крупинка, тем больше энергия, которую электрон отдаёт, излучая свет, и тем ближе цвет к синему. Чем крупнее, тем ближе к красному.

Точные размеры зависят от вещества. Таблица показывает общую закономерность: меньше крупинка, короче волна.

Открытие в цветном стекле

Цветное стекло делают давно: добавляют в расплав разные вещества. Мастера знали, что цвет зависит не только от добавки, но и от того, как долго и при какой температуре стекло нагревали. Почему, никто не понимал.

Алексей Иванович Екимов родился в 1945 году в Ленинграде и работал в Государственном оптическом институте имени Вавилова. В 1981 году он изучал стекло с примесью хлорида меди. Он нагревал его по-разному и под рентгеном увидел, что внутри образуются крошечные кристаллики, а их размер зависит от нагрева. Цвет стекла менялся вместе с размером кристалликов. Екимов понял, что это квантовый эффект размера.

Его работу объяснили теоретически советские физики Александр Эфрос и Алексей Эфрос. Сейчас Алексей Екимов работает в США.

Точки в жидкости

Советские журналы на Западе читали мало. Поэтому американец Луис Брюс, работавший в лаборатории Bell Labs, в 1983 году независимо открыл тот же эффект, только не в стекле, а в жидкости: крупинки сульфида кадмия меняли свойства, когда подрастали.

Оставалась проблема: точки получались разного размера и с дефектами, а значит, светились неровно. В 1993 году Мунги Бавенди из Массачусетского технологического института придумал способ получать почти одинаковые точки нужного размера: впрыскивать вещества в очень горячий растворитель и вовремя останавливать рост. После этого квантовые точки стало можно производить и использовать.

Где работают квантовые точки

• Экраны телевизоров и мониторов QLED: квантовые точки дают чистые, яркие цвета.
• Светодиодные лампы с более тёплым и естественным светом.
• Медицина: точки помогают хирургам видеть опухоль, светясь под специальной подсветкой.
• Солнечные батареи и датчики, которые чувствуют свет разного цвета.

Похожий эффект люди невольно использовали столетиями: в рубиновом стекле старинных витражей цвет дают наночастицы золота. Только тогда никто не знал, что именно размер частиц делает стекло красным.

Утечка до объявления

В 2023 году вышел небывалый случай: за несколько часов до официального объявления шведские газеты получили пресс-релиз с именами лауреатов. Нобелевский комитет признал ошибку, а решение не изменилось. Обычно имена хранят в строгом секрете до последней минуты.

Частые вопросы