Цивилизация
Нобелевская премия по химии 2023 года присуждена ученым Мунги Бавенди, Луиcу Брюсу и Алексею Екимову за открытие и синтез квантовых точек.
Лауреатам удалось создать частицы настолько маленькие, что их свойства определяются квантовыми явлениями (процессами излучения, явлениями атомной и ядерной физики, физики конденсированных сред, химической связью). Если обычно свойство частиц определяется количеством электронов в них, то в квантовых — характеристики зависят от размера.
Так, самые маленькие квантовые точки светятся синим, средние — зеленым, а самые крупные — красным или оранжевым. Размер — единственная характеристика, которой они отличаются, и он меняет все их свойства: тепловые, магнитные, химические, электрические и т.д.
Екимов и Брюс смогли первыми наблюдать этот эффект в 1980-х годах.
Причём здесь витражные стекла?
«С древности люди добавляли в прозрачные стекла кадмий, медь и другие металлы, которые при отжиге собирались в структуры, цвет которых зависел от их размера. Древние люди, конечно, ничего не знали о квантовых точках. Их открыл Екимов, который проводил эксперименты с витражными стеклами. Именно он понял, что размер квантовых структур, которые образуют металлы в прозрачном стекле, и отвечает за цвет материала», — рассказал «Газете.Ru» доктор физико-математических наук, член-корреспондент РАН, директор Института им. Иоффе Сергей Иванов.
Стало понятно, что существуют какие-то наноструктуры — точечки, которые появляются на поверхности стекла при обжиге, и что они обладают удивительными свойствами.
«Использовать квантовые точки в стекле никак нельзя, нужно было придумать что-то, чтобы получить их, например, в жидкой среде. В 90-х годах появились исследования, в которых те же металлы погружались в коллоидные растворы, и при тепловой обработке этих растворов формировались квантовые точки.
Теперь они были в свободном виде в жидкости, их можно было изолировать и изучать независимо: вытащить, присоединить к ним медицинские препараты, ввести их в кровь животных. Это дало начало работам на границе трех областей: химии, физики и биологии», — объяснил Иванов.
Эти точки можно было примагнитить и таким образом направить препараты в нужные области организма или изготовить с ними раствор, чтобы увидеть края опухоли.
«Сейчас мы проводим эксперименты с квантовыми точками и их применением при хирургических операциях. Мы создали жидкость с содержанием квантовых точек, которые могут наноситься на опухоль.
У хирургов есть проблема: границы опухоли не видны. Но жидкость с квантовыми точками дает возможность увидеть границы опухоли и ее глубину. Эти ткани начинают светиться, если направить на них лазерный луч.
Сейчас мы в МФТИ проводим эксперименты in vitro в надежде создать оптимальную жидкость с квантовыми точками для применения во время операций», — рассказала «Газете.Ru» заведующая лабораторией нейробиологических и молекулярно-биологических проблем и биоскрининга МФТИ Елена Петерсен.
«Это как сэндвич»
Второй способ получения квантовых точек был реализован уже в полупроводниковых технологиях за счет эффекта самоорганизации. Как рассказал Иванов, для этого на поверхность одного полупроводника наносят тонким слоем другой. За счет разницы параметров возникает напряжение, которое приводит к тому, что напыляемый сверху материал собирается в кластеры. Если их потом зарастить тем материалом, который находится снизу, то мы получаем объекты одного материала в другом. Так были созданы полупроводниковые квантовые точки.
«Это как сэндвич. Плоскость, в которой вместо одного тонкого слоя, находятся три атомных слоя и островки, размеры которых сопоставимы с длиной свободного пробега электрона. Эта технология была применена для создания полупроводниковых лазеров», — пояснил ученый.
Лазеры на квантовых точках появились в СССР и сейчас развиваются активно, в том числе в России. Основная область их применения — телекоммуникации, где они используются для передачи информации через волоконно-оптическую связь.
При этом электрический сигнал преобразуется в оптический и передается по волокну. Большая часть связи идет именно по стекловолокну, интернет в том числе, сообщил Иванов. Кроме того, квантовые точки могут служить источником фотонов для оптических квантовых компьютеров, а еще с их помощью можно наладить квантовую невзламываемую связь, так как для нее необходима энергия одиночных фотонов.
«Это необходимо для оптических квантовых компьютеров, в которых фотоны используются как носители информации. Такие технологии в данный момент активно развиваются в России», — сообщил «Газете.Ru» руководитель научной группы Российского квантового центра и Университета МИСИС Алексей Федоров.
Открытие было сделано в СССР
Екимов стал пионером в области изучения квантовых точек: он первым смог показать квантовые эффекты наночастиц хлорида меди. Также он продемонстрировал, что размер частиц влияет на цвет.
«Алексей Екимов заканчивал физфак ЛГУ, и в 1970-х году его взял к себе в лабораторию в физико-техническом институте наш великий ученый Евгений Федорович Гросс. По существу, вся оптическая спектроскопия, а это именно те эффекты, которые Алексей Иванович обнаружил в стекле, все эти исследования начались в Физико-техническом институте им А.Ф.Иоффе.
Потом Екимов перевелся в Государственный оптический институт и занялся исследованием стекол, которые меняли цвет в зависимости от температуры отжига. Стекла легировались (сплавлялись. — «Газета.Ru») медью, хлором, кадмием, серой, селеном и другими элементами второй и шестой группы периодической таблицы. Оказалось, что при отжиге эти элементы собирались в наноразмерные кластеры», — рассказал «Газете.Ru» работавший с нобелевским лауреатом в одной лаборатории директор Физико-технического института им А.Ф. Иоффе Сергей Иванов.
В 1975 году Екимов был удостоен Государственной премии СССР в области науки и техники за работу по ориентации спина (момент импульса частицы) электрона в полупроводниках, а в 1989 году получил звание доктора физико-математических наук.
В начале 1980-х годов ученый, работая в ГОИ им. С.И. Вавилова, разработал и реализовал метод получения кристаллов нанометровых размеров в стеклообразных матрицах. Он исследовал оптические и электрические свойства стекол, содержащих нанокристаллы различных полупроводников. В результате ему удалось определить взаимосвязь между размерами этих кристаллов и спектроскопическими параметрами. То есть, нобелевское открытие было сделано еще в СССР.
Позже полупроводниковые нанокристаллы и им подобные объекты стали называть квантовыми точками. Начало их исследованию в мире было положено работами, выполненными Екимовым. Кроме Нобелевской премии, ученый также получил премию Вуда от Оптического общества Америки за «открытие нанокристаллических квантовых точек и новаторские исследования их электронных и оптических свойств».
С 1999 года Екимов живет в США и работает в американской частной компании Nanocrystals Technology Inc.
«Я знаю Алексея Ивановича Екимова очень давно, с тех пор как появились его первые работы по квантовым нанокристаллам. Последний раз мы виделись около пяти лет назад на конференции, посвященной открытию квантовых точек, в Париже: тогда он делился планами на будущую работу. Судя по публикациям, он продолжает активную научную деятельность. Вот сейчас смотрю на фото, где мы вместе пьем пиво, — сообщил доктор физико-математических наук, профессор международного научно-образовательного Центра физики наноструктур ИТМО Александр Баранов.
Он участвовал в дискуссии о возможности использования комбинационного рассеяния для характеризации квантовых точек, а также в обсуждении природы свойств квантовых точек. Были разные гипотезы: кто-то считал, что свойства связаны с действием квантовых эффектов из-за размера, кто-то — что дело в химическом составе или в физической компрессии в стеклянной матрице. Сейчас, конечно, нет сомнений в том, что дело в квантовых эффектах, отметил Баранов.
Спортсмен-семьянин и коллекционер премий
Американского химика Мунги Бавенди разбудили посреди ночи, чтобы объявить о том, что он стал лауреатом премии.
«Это большая честь. Я сонный, но в то же время шокирован и польщен. Имена лауреатов стали известны до официального объявления, мне еще никто не звонил, я не знал, что победил. В этой области трудится большое число ученых, и я не предполагал, что премию могу получить именно я», – поделился Бавенди.
Бавенди — выпускник Гарварда и Чикагского университета, сегодня занимает должность профессора химического факультета в Массачусетском технологическом институте (MIT). По его словам, самое важное и сложное в его работе — найти баланс.
«Мне никогда не хватало сна, и это продолжается на протяжении всей жизни. Работа и семья — они соревнуются за время. Поэтому вам нужно найти баланс, пока вы молоды и можете позволить себе не спать так много», – сказал Бавенди в интервью журналу The Tech.
Семья занимает не последнее место в жизни химика. Сам он признается, что помимо науки и преподавания большое значение для него имеют дочь и спорт:
«У меня есть дочь, и мне нравится заниматься с ней разными делами, знакомя ее с моими любимыми занятиями. Я беру ее кататься на лыжах или плавать. И мне нравится бегать и заниматься спортом. Надеюсь, что она тоже унаследует это от меня».
По его словам, часто вместо обеда он идет в спортзал. Ученый старается тренироваться два или три раза в неделю, чтобы поддерживать себя в хорошей форме.
Еще одного лауреата премии, Луиса Брюса из Колумбийского университета, можно назвать коллекционером научных премий.
За свою карьеру он получил семь наград, не считая последней: в 2001 году он получил премию Ирвинга Ленгмюра, в 2006-м — премию Вуда, спустя два года — премию Кавли, еще через год — премию Уилларда Гиббса, затем последовали премии Национальной академии наук США по химическим наукам, Петера Дебая и Бауэра.
Все награды были присуждены ученому за исследования полупроводниковых микрокристаллов в коллоидных растворах, которые затем стали называть квантовыми точками.
Екимов первым поставил эксперимент, в котором показал квантовые эффекты. Несколько лет спустя Луис Брюс впервые доказал, что они зависят от размера наночастиц.
Американскому ученому пришлось совмещать свою страсть к физической химии с изучением основ ведения войны на море — ученый поступил в Университет Райса, который тогда готовил офицеров запаса ВМС.
После его окончания в 1965 году он был назначен младшим офицером, но, к счастью, его начальство согласилось дать ему четырехлетний отпуск для продолжения исследовательской деятельности в аспирантуре. В итоге Брюс связал свою жизнь с наукой, став сотрудником Колумбийского университета и начав работу над своей диссертацией.
По словам Брюса, его прадедушка был официантом, родившимся во Франции, который иммигрировал в Нью-Йорк в 1868 году, а отец был бизнесменом, который окончил университет во время Великой депрессии.
«Очевидно, я унаследовал некоторую способность к абстрактному мышлению от своей матери, которая, будучи преподавателем, изучала математику в Университете Миссури. В старших классах у меня был талант к математике и естественным наукам, а также я развил в себе склонность к инструментам и станкам, работая после школы и по выходным в местном хозяйственном магазине», — вспоминает физик.