На границе миров: почему открытие квантовых точек заслужило Нобелевскую премию
Нобелевской премии по химии удостоены ученые Мунги Бавенди, Луис Брюс и Алексей Екимов. Премия присуждена им «за открытие и синтез квантовых точек». Так называются нанометровые частицы вещества, свойства которых определяются удивительными законами квантовой механики. Квантовые точки уже используются в современных дисплеях и светодиодах, но эксперты прочат им куда более впечатляющее будущее.
Луис Брюс — американец. Мунги Бавенди родился во Франции, но научную карьеру начал в США, где сейчас и работает. Алексей Екимов родился и сделал «нобелевское» открытие в СССР, но позже эмигрировал в США.
Число песчинок
В известной сказке герой должен износить семь пар железной обуви, прежде чем достигнет цели. Даже маленькие дети понимают смысл этого приема. Железо есть железо, что из него ни делай, гвоздь или сапог. Проще износить собственные ноги, чем железные башмаки.
Когда дети подрастают и идут в школу, они узнают, что у железа, как у всякого вещества, есть особые свойства: плотность, электрическое сопротивление, теплопроводность, коэффициент отражения света. Это свойства материала, а не сделанных из него предметов, поэтому они одинаковы у миниатюрного гвоздя и тяжелой наковальни. Физические законы, описывающие эти свойства, просты и интуитивно понятны. Масса равна плотности, умноженной на объем. Сила тока — напряжению, деленному на сопротивление.
Вскоре школьники узнают, что вещество состоит из атомов и молекул. Любознательный ученик может спросить: проводит ли ток молекула воды? Отражает ли атом алюминия свет так же хорошо, как алюминиевое зеркало? Утонет ли в воде атом железа?
Правильный ответ состоит в том, что сам вопрос не имеет смысла. Плотность, электропроводность, отражательная способность — все эти характеристики появляются, когда атомы вещества собираются в огромных, как говорят ученые, —макроскопических количествах. Например, в стакане воды больше атомов, чем стаканов воды в Мировом океане. Свойства же отдельного атома совсем не похожи на свойства вещества в целом. Ими управляют законы квантовой физики. Эти законы резко противоречат нашей интуиции: чего стоит только тот факт, что электрон в атоме не имеет определенной траектории, а как бы размазан по всему пространству! Квантовые законы можно изложить лишь с помощью сложной математики, обыденного языка для этого просто не хватает.
Итак, принцип «железо есть железо» дает сбой. Один атом — это совершенно точно незнакомое нам железо. Другое дело 1023 атомов железа (единица и 23 нуля после нее). Это уже несколько граммов металла со всеми его привычными свойствами. Сколько же атомов минимально необходимо, чтобы из странного квантового микромира вернуться в привычный и понятный макромир? Тысяча? Триллион? Тысяча триллионов? Сколько песчинок нужно сложить, чтобы получилась куча?
Квантовые точки, открытые нынешними лауреатами, находятся на границе двух миров — уже не атомы, но еще не макроскопические тела. Это кристаллы нанометрового размера, состоящие из небольшого числа атомов: от тысяч до сотен тысяч. Свойства вещества в квантовых точках сильно зависят от их, точек, размера — в отличие от свойств железа в гвозде и наковальне.
В поисках границы
Квантовая механика была создана в 1920-х. Уже тогда физики понимали, что раз объекты размером с атом квантовые, а размером с гвоздь — макроскопические, то где-то должен быть «переходный размер». В 1937 году немецко-британский ученый Герберт Фрёлих теоретически рассчитал, что свойства вещества в наночастицах — например, способность отражать и поглощать свет — будут зависеть от размера этих частиц. Это явление, чуждое макроскопической физике, где железо в любых количествах остается железом. Многие исследователи пошли по стопам Фрёлиха и на кончике пера открыли разные эффекты подобного рода. Но долгие десятилетия все эти открытия оставались теоретическими.
В 1970-х физики научились наносить пленки нанометровой толщины на поверхность макроскопической подложки. Оптические свойства пленки зависели от ее толщины в точности так, как предсказывали квантовые уравнения. Это был крупный прорыв. Но решающие открытия сделали Екимов и Брюс в следующем десятилетии.
Точки входа в квантовый мир
В конце 1970-х Алексей Екимов начал экспериментировать с изготовлением цветных стекол. Он заново открыл факт, известный стеклодувам тысячи лет. Одна и та же добавка может окрасить стекло в разные цвета в зависимости от того, как нагревать и охлаждать размягченный материал.
Древние мастера, должно быть, принимали это как должное. А вот современный физик осознал всю странность этого эффекта. Екимов принялся выяснять, как это работает. Исследователь изготовлял стекло с добавкой хлорида меди при температуре от 500°C до 700°C, варьируя время нагрева от одного часа до 96 часов. Просвечивая остывший материал рентгеновскими лучами, он обнаружил в стекле нанокристаллы хлорида меди. Причем в разных условиях возникали кристаллы разного размера, от 2 до 30 нанометров. Самые крупные кристаллы поглощали свет на той же длине волны, что и макроскопический хлорид меди. Но чем меньше были кристаллы, тем ближе к синему концу спектра сдвигался поглощаемый свет. Екимов понял, что открыл явление, предсказанное Фрёлихом в 1937 году. Оптические свойства вещества в наночастицах зависели не только от самого вещества, но и от размера частиц. Позже такие частицы назвали квантовыми точками.
Исследователь опубликовал свое открытие в 1981 году в «Письмах в Журнал экспериментальной и теоретической физики». По ту сторону океана не слишком-то читали советские научные журналы. Поэтому Луис Брюс не знал об успехе Екимова. В 1983 году он самостоятельно открыл квантовые точки в другом эксперименте. Брюс получил нанокристаллы сульфата кадмия размерами от 4,5 до 12,5 нанометра. Их оптические свойства тоже зависели от размера.
Управление точкой
Чтобы знание превратилось в технологию, мало было открыть квантовые точки. Свойства наночастиц зависят от их размера, в этом открытие и состоит. Если требуются частицы с определенными свойствами, нужно получить частицы соответствующего размера, причем дешево. Методы Екимова и Брюса позволяли контролировать только средний размер нанокристаллов, причем разброс вокруг этого среднего был довольно велик. Если физик желал иметь квантовые точки, поглощающие, скажем, только синий цвет, ему приходилось сортировать готовые наночастицы по размеру. Это был трудный и потому дорогой процесс. К тому же нанокристаллы часто имели дефекты.
Эту проблему решил Мунги Бавенди, ученик Брюса. В 1993 году он изобрел технологию получения практически идеальных нанокристаллов. Ученый добавлял в горячий растворитель реагенты, в реакции которых образовывался селенид кадмия. Эти вещества впрыскивались через тонкую иглу. Раствор вокруг иглы насыщался, и образовывались наночастицы селенида кадмия. Бавенди обнаружил, что их размерами можно управлять, регулируя температуру раствора. Этот удобный и дешевый метод оказался пригодным не только для селенида кадмия, но и для других веществ. Благодаря открытию Бавенди квантовые точки из лабораторной диковинки превратились в коммерческий продукт.
Потенциал их применения в электронике огромен. Сегодня квантовые точки можно встретить в мониторах технологии QLED, светодиодах и лазерах. Специалисты говорят о большом будущем нанокристаллов в сфере гибкой электроники, солнечных батарей и связи с квантовым шифрованием. Биологи помечают квантовыми точками вещества в живой клетке. Медики присматриваются к нанокристаллам как средству маркировки опухолей, а химики видят в них перспективные катализаторы.
Напоследок ответим на вопрос, почему за квантовые точки присуждена премия по химии, хотя все это время мы, в сущности, говорили о физике. Когда дело доходит до атомов и молекул, физику, химию, а иногда и биологию трудно разделить. В 1911 году Мария Склодовская–Кюри получила Нобелевскую премию по химии за открытие радия и полония. Все логично, ведь речь шла об открытии новых химических элементов. Однако эта работа стала ключевой для ядерной физики, и физики вспоминают о ней куда чаще химиков. Подобные «пограничные» премии вручались еще несколько раз и будут вручаться впредь. Ведь на самом деле существует не физика и химия, а единая природа, которой нет дела до наших несовершенных классификаций.