Kémiai Nobel-díj, 2023: az „elhanyagolt dimenziók” világa a természettudományok fókuszában

Kémia 2023 Nobel dij: az „elhanyagolt dimenziók” világa a természettudományok fókuszában*

A Svéd Királyi Tudományos Akadémia Moungi G. Bawendinek, Louis E. Brusnak és Alexei I. Ekimovnak ítélte a 2023-as kémiai Nobel-díjat. Mindhárom kitüntetett az Egyesült Államokban dolgozik.

A Nobel Bizottság 2023. október 4-én bejelentett értékelése szerint a három tudós az elismeréssel a kvantumpontok, vagyis olyan nanorészecskék (méretük a milliméter milliomod része körüli, pl. 5-10 nanométer is lehet) felfedezését és mesterséges létrehozását díjazták, amelyek nanométeres – ún. méretkvantált – tartományban határozzák meg a részecskék fizikai tulajdonságait. A kvantumpontok a nanotechnológia legkisebb eszközei, és ma már számos gyakorlati alkalmazásuk létezik a LED-es tévéktől a LED-lámpákig, de orvosi/sebészeti és terápiás alkalmazásuk is elterjedőben van.

A felfedezés legfontosabb jellemzője az, hogy az azonos kémiai összetételű kvantumpontok/nanorészecskék méretüktől függően különböző fizikai-kémiai tulajdonságokat mutatnak, így például más lesz a részecske sűrűsége, kristályszerkezete, olvadáspontja, elektromos vezetőképessége vagy mágnesezhetősége. A szigetelő tulajdonságú vegyületből szabályozott vezetőképességű vagy félvezető vegyületeket lehet előállítani, szilárd port, folyadékfázisban diszpergált kolloid szolt vagy szuszpenziót és szilárd mátrixba, például üvegbe zárt nanorészecskéket tartalmazó rendszereket. Az 1980-as évektől a fizikában és az anyagtudományban alapvető felfedezéseket tettek, és bevezették a méretkvantálás fogalmát (L. E. Brus). A félvezetők elektronszerkezetének szisztematikus változtatása miatt a nanorészecske optikai tulajdonságai (pl. a részecske színe), az ún. tiltottsáv-energiája függ a nanorészecske méretétől. L. E. Brus alapvető cikkében* megadta azt az összefüggést, amellyel kimutatható, hogy a kémikus a méret változtatásával hogyan „hangolja” például a CdS, a ZnO, a TiO₂, az SnO₂ félvezetők tiltottsáv-energiáját.

A díjazottaknak sikerült először olyan parányi nanorészecskéket előállítaniuk, amelyek tulajdonságait már kvantumos jellegzetességeik határozzák meg. A kémiai Nobel Bizottság elnöke, Johan Åqvist elmondása szerint a kvantumpontok nem várt tulajdonságokkal bírnak, a színük például függ a méretüktől. A fizikusok az elméleti kutatásokból már régen tudták (lásd pl. R. Feynman, 1960), hogy a nanométeres mérettartományban a kvantumos jelenségek a részecskék méretétől függnek, de a díjazottak előtt senkinek sem sikerült a valóságban is létrehozni szabályozott méretű (monodiszperz) részecskéket, ezért sokan szkeptikusak voltak az elméleti ismeretek gyakorlati jelentőségét illetően. Alexei Ekimov az 1980-as évek elején sikerrel hozott létre olyan nanorészecskéket tartalmazó üvegmátrixokat, amelyekben megjelent a méretfüggő optikai tulajdonság, azaz különböző színekben mutatkozott az azonos kémiai összetételű üveg vagy optikai szál. Néhány évvel később Louis Brus bizonyította először, hogy folyadékokban is létezhet a méretfüggő kvantumeffektus. Az 1990-es évek elején pedig Moungi Bawendi kutatásai forradalmasították a kvantumpontok előállítási technológiáját, mivel a folyadékfázisban való szintézis során tisztázta a nukleáció és a részecskenövekedés kinetikáját, hogy a gyakorlatban is felhasználható perfekt kvantumpontokat és a fejlesztései révén perfekt nanorészecskéket állítson elő. E nélkül az áttörés nélkül lehetetlennek tűnt a kvantumpontok ipari alkalmazása.

Ma már időnk jelentős részében kvantumpontokat nézünk, hiszen a QLED-kijelzők nevében a Q betű a kvantumpontot rövidítése. Sok televízió és számítógép-monitor működik ezzel a technológiával, de a LED-lámpák színét is lehet velük befolyásolni, a sebészek pedig kvantumpontok segítségével világítják meg a különféle szöveteket. A kutatók szerint a kvantumpontok a jövőben még sokkal szélesebb körben alkalmazhatók lesznek, a hajlítható elektronikai eszközöktől a mikroszkopikus szenzorokig. A díjazottak által fejlesztett technológiáknak óriási szerepük van a méretszabályozott katalizátorok előállításában, amelyek a heterogén katalízishez és fotokatalízishez csatlakozó környezetkímélő technológiákban és az energiatermelésben (pl. napelemek alkalmazása) szintén jelentős innovációs lehetőségekkel bírnak.

Dékány Imre
az MTA rendes tagja

Jegyzetek

Az „elhanyagolt dimenziók” elnevezés Wolfgang Ostwaldtól származik: Die Welt der vernachlässigten Dimensionen. Dresden–Leipzig: Verlag von Theodor Steinkopf, 1916.

* Brus, L. E.: Electronic wave functions in semiconductor clusters – experiment and theory. J. Phys. Chem., 1986, 90, 2355–2560.