Нобелевскую премию по химии в 2023 году получили сразу три учёных за одно открытие. Мунги Бавенди, Луис Брюс и Алексей Екимов удостоились высшей научной награды за открытие и синтез квантовых точек — полупроводниковых нанокристаллов с уникальными оптическими и электронными свойствами. Квантовые точки находят или в скором времени найдут применение в самых разных сферах: от производства дисплеев до солнечной энергетики и биомедицины.
Мы изучили десяток научно популярных статей и обзоров, чтобы разобраться, что необычного в этих точках, как их открыли, как используют и планируют использовать уже в ближайшем будущем.
Квантовый мир живёт по своим законам в сравнении с привычным нам макромиром. Что справедливо для макромира, совсем не обязательно работает в мире квантовом, и наоборот. Когда атомы собираются в макроскопические объемы, у вещества возникают знакомые и интуитивно понятные нам свойства: вес, плотность, электропроводимость, отражающая способность и так далее. Однако стоит спуститься на уровень одного атома и поискать там те же свойства, всякий смысл в таком поиске пропадает, поскольку признаки, которые мы ищем, исчезают, уступая место иным совсем непонятным интуитивно характеристикам.
Пока размер системы не превышает нескольких нанометров и небольшого количества атомов — речь идёт о квантовом мире, как только размер и количество атомов значительно увеличиваются — квантовые законы сменяются привычным нам с уроков физики и химии законами макромира. Если всё, что происходит в макромире, можно увидеть и подкрепить наглядным экспериментом, то когда речь заходит о квантовой механике, понимание возможно лишь через сложные математические вычисления.
И всё же два мира взаимосвязаны. Вещества в макромире имеют свои свойства и подчиняются законам физики и химии ровно потому, что на квантовом уровне их атомы имеют особые квантовые свойства и подчиняются набору особых квантовых законов. Сфера нанотехнологий занимается изменениями свойств атомов на квантовом уровне таким образом, чтобы на макроуровне получать вещества и материалы невиданных ранее макрохарактеристик.
И вот причём тут квантовые точки: они существуют как бы на границе двух миров. Нанокристаллы квантовых точек являются хоть и очень маленькими (от 2 нанометров), но уже почти объектами макромира. Однако их практические свойства возникают в результате работы законов квантового мира. Эти частицы интересны тем, что их электронные свойства зависят от размера и формы кристалла. Меняя размер и форму квантовых точек, можно управлять их свойствами: менять их цвет и заставлять превращать свет в электричество.
Источник: https://habr.com/