Nobelova nagrada za kemijo 2023

V Stockholmu so danes razglasili letošnje prejemnike Nobelove nagrade za kemijo, ki so si jo prislužili za odkritje in sintezo kvantnih pik. Nagrado prejmejo francoski kemik Moungi Bawendi, ameriški kemik Louis Brus in ruski fizik Aleksej Ekimov. V 80. letih prejšnjega stoletja je Ekimov opazil kvantne efekte v obarvanem steklu, nekaj let pozneje pa je Brus v raztopinah dokazal obstoj lebdečih kvantnih delcev s kvantnimi efekti. Bawendi je nato leta 1993 pripravil prvo robustno metodo za pripravo kvantnih pik.

Obče znano je, da so lastnosti snovi odvisne od elementov, ki jih sestavljajo. Korelacija ni preprosta, saj je klor tako v jedilni soli kot živčnih strupih, a ni zelo nápak poenostaviti, da lastnosti v veliki meri določa elektronska struktura. Atomi (in tudi ioni) imajo točno določeno število elektronov, ki se udeležujejo v kemijskem plesu, kar je tvorba in trganje kemijskih vezi. A ob tem intuitivno pričakujemo, da lastnosti snovi ni odvisne od velikosti. Kilogram železa ima pač enake (intenzivne) lastnosti kot tona.

A v majhnem merilu se ta intuitivni pogled podre. Lastnosti snovi so v majhnem merilu močno odvisne tudi od velikosti delcev. Če elektrone - ali katerekoli druge delce - omejimo na zelo majhen prostor, se začno vesti drugače. To je že leta 1937 teoretično dokazal Herbert Fröhlich, ko je iz Schrödingerjeve enačbe izračunal, da bi bile lastnosti majhnih delcev fundamentalno drugačne. Kasneje so to potrdili še številni drugi raziskovalci, ki so izračunali najrazličnejše lastnosti majhnih delcev. A vse do sredine 70. let je veljalo, da jih ni možno proizvesti dovolj preprosto in zanesljivo, da bi lahko njihove lastnosti uporabljali. Počasi pa je razumevanje pojavov raslo.

Ekimov je v 70. letih ugotovil, da se optične lastnosti stekla razlikujejo tudi pri istih sestavinah. Že prej so vedeli, da kadmijev selenid in kadmijev sulfid sta lahko steklo obarvata rumeno ali rdeče, odvisno od hitrosti segrevanja in ohlajanja stekla med izdelavo. Ekimov je ugotovil, da dodatek bakrovega klorida tudi učinkuje različno, kar je uspel pripisati različnim velikostim teh delcev. Kvalitativno je bila absorpcija odvisna od velikosti delcev. Ekimov je hitro ugotovil, da gre za kvantni efekt.

Svoja odkritja je objavil leta 1981 v sovjetski reviji, kar je na Zahodu ostalo spregledano. Louis Brus je tako neodvisno ugotovil isto. Leta 1983 je opazil kvantne efekte v raztopini, v kateri so lebdeli nanodelci kadmijevega sulfida. Sčasoma so se lastnosti raztopine spremenile, kar so se delci skepili v večje. Večji delci so imeli enak absorpcijski spekter kot kristal kadmijevega sulfida, v majhnih delcih pa je bil vrh pomaknjen proti modri. Tudi Brus je hitro ugotovil, da gre za kvantni efekt.

Preostalo je vprašanje, ali je možno to izkoriščati. Dotedanji poizkusi so imeli slabo ponovljivost in niso omogočali napovedi, kakšni nanodelci bodo nastali. Problem je rešil Bawendi, ki je bil leta 1988 podoktorski študent pri Brusu. Uspelo mu je pet let pozneje, ko je delal na MIT-u. Ugotovil je, da lahko v segreto topilo vbrizga točno toliko kadmijevega selenida, da ustvari nasičeno raztopino, nato pa raztopino segreje. Zrasli so kristali, kateri površina je bila gladka, velikost pa predvidljiva.

Danes so kvantne pike, kakor imenujemo te majhne materiale, obetavna snov za proizvodnjo elektronike, senzorjev, sončnih celic, zaslonov in morda celo pri šifrirani kvantni komunikaciji.