Нобелевская премия по химии 2023
Нобелевская премия по химии 2023 г. Была присуждена учёным А. И. Екимову, Л. Брюсу и М. Г. Бавенди.
Формулировка Нобелевского комитета: «За открытие и синтез квантовых точек» («For the discovery and synthesis of quantum dots») (Press release ...). Премия разделена на три равные части.
Алексей Иванович Екимов. 2023.Екимов сделал научную карьеру в СССР, и научные работы по физике, за которые он удостоен Нобелевской премии, выполнены в Государственном оптическом институте в Ленинграде (ныне Санкт-Петербург); он является вторым российским учёным после Н. Н. Семёнова, получившим Нобелевскую премию по химии (Н. Н. Семёнов удостоен премии 1956).
Информация о номинациях на премию по химии 2023 г. будет разглашена через 50 лет после вручения премии, по правилам Нобелевского комитета.
История исследования квантовых точек началась в СССР. В 1960-х гг. физик В. Б. Сандомирский показал, что предсказанный немецким физиком Г. Фрёлихом в 1937 г. квантовый размерный эффект (учёный утверждал, что частицы металлов размером в единицы нанометров будут иметь зависящую от их размера удельную теплоёмкость) можно проще обнаружить в полупроводниках (например, Сандомирский. 1967).
В начале 1980-х гг., уже награждённый Государственной премией СССР за исследования полупроводников, Екимов исследовал цветные стёкла, задавшись вопросом: как стёкла могут окрашиваться в разные цвета одним и тем же веществом. В качестве модельного объекта Екимов выбрал фотохромные стёкла, окрашенные хлоридом меди. Первоначально учёный записывал спектральные характеристики стёкол с микрокристаллами CdSe, CdS, CuBr и CuCl при низких температурах. Выяснилось, что микродобавки этих веществ превращают матрицы в эффективные поглощающие фильтры излучения в диапазоне от УФ до ближнего ИК, что позволило заменить дорогие импортные стёкла для солнцезащитных очков на дешёвые легированные силикатные матрицы, что и требовалось в техническом задании заказчика. В этих же стёклах были обнаружены спектры экситонного поглощения кристаллов хлорида меди, но в зависимости от условий приготовления стёкол спектр менялся.
Тогда исследователи сами взялись за изготовление стёкол и изучение их свойств. Екимов варьировал температуру расплава стекла от 500 до 700 °C, а время нагрева – от 1 до 96 ч. После застывания стёкол Екимов вместе с соавтором, А. А. Онущенко, проводил малоугловое рассеяние рентгеновских лучей на стекле и понял, что в зависимости от условий его изготовления в нём образуются разные нанокристаллы (сам Екимов использовал термин «микрокристаллы») хлорида меди – размером от 2 до 30 нм, которые по-разному поглощают излучение (чем мельче частицы, тем сильнее область поглощения смещалась в сторону синего света) – и, соответственно, окрашивают стекло в разные оттенки. Так был открыл квантовый размерный эффект в нанокристаллах полупроводников, о чём Екимов и Онущенко опубликовали статью в журнале «Письма в ЖЭТФ» (Екимов. 1981), а более развёрнутая статья с увеличенным набором легирующих нанокристаллов – в 1985 г.
Луис Брюс.В 1983 г. Л. Брюс, работавший в лабораториях Белла с фотокаталитическими полупроводниковыми частицами, получал коллоидные растворы сульфида кадмия в воде из водного раствора сульфида аммония и хлорида кадмия в присутствии сополимера стирола и малеинового ангидрида в качестве антикоагулянта.
Брюс сделал интересное наблюдение, изучая колебательные спектры растворов. Если раствор постоял сутки, то его спектр не отличался от спектра кристаллического сульфида кадмия, а свежеприготовленный раствор имел совсем другой спектр. Брюс предположил, что сначала в растворе образуются совсем маленькие наночастицы сульфида кадмия, после чего они «вырастают» и уже не отличаются по свойствам от макрокристаллов. Так был открыт квантовый размерный эффект в коллоидных растворах, при этом Брюс сумел описать его и теоретически. В 1986 г. появился термин «квантовая точка».
Мунги Бавенди.Если работы Екимова и Брюса были отмечены в первой части формулировки Нобелевского комитета – они открыли квантовые точки, однако ещё не умели получать их с заданными свойствами и хорошим качеством, – то третий лауреат, Бавенди, прославился тем, что впервые сумел направленно синтезировать полупроводниковые наночастицы нужного размера и почти идеального качества.
Бавенди усовершенствовал методику получения коллоидов сульфида кадмия, разработанную Брюсом; правда, перешёл с сульфида на селенид. Он добавлял раствор диметилкадмия в точно рассчитанной смеси триоктилфосфина и триоктилфосфинселенида в нагретую до 300 °C смесь триоктилфосфина и триоктилфосфиноксида (Murray. 1993). В результате получалась охлаждённая стабильная взвесь наночастиц селенида кадмия радиусом около нанометра. А если коллоидный раствор снова начинали греть, частицы продолжали контролируемо расти, и из одного и того же раствора Бавенди смог «по заказу» получать взвеси одинаковых наночастиц размером от 1 до 11,5 нм, которые при облучении ультрафиолетом давали любой цвет видимого спектра – в зависимости от своего размера от красного до фиолетового. Именно с этой работы можно отсчитывать начало современных нанотехнологий.
Последовало и практическое применение квантовых точек, что отмечает Нобелевский комитет. В первую очередь это технология QLED-дисплеев в компьютерах и смартфонах: источником света в них служит синий светодиод, а два других цвета, необходимых для формирования цветного изображения, красный и зелёный, дают квантовые точки.