Чудо квантовой точки. Открытие уровня Нобеля стало и батареей, и телевизором, и студенческой лабораторией

Профессор КНИТУ рассказал про квантовые точки, за открытие которых накануне вручили Нобелевскую премию. В том числе, был отмечен российский ученый Алексей Екимов, который, впрочем, сейчас живет и работает вне страны. Говоря о «нобеле» по химии, профессор отметил, что сегодня открытие ученых доступно даже студентам в профильной казанской лаборатории – тем ценнее вклад специалистов, начавших работу еще в 70-х годах прошлого века.

Шведская королевская академия наук 4 октября объявила о присуждении Нобелевской премии по химии за 2023 год. Ее лауреатами стали Мунги Бавенди, Луис Брюс и Алексей Екимов за открытие и синтез квантовых точек. Алексей Екимов (р. 1945) — российский и американский исследователь, специалист в области физики твёрдого тела и оптики, в настоящее время живет и работает в США. Отметим, что с момента присуждения высокой награды академику Николаю Семенову (1956) за разработку теории цепных реакций это — первая Нобелевская премия, полученная отечественным ученым.

Квантовые точки, «отцами» которых считаются награжденные исследователи, это полупроводниковые частицы размером в несколько нанометров с уникальными оптическими и электронными свойствами, приобретенными за счет действия квантовомеханических эффектов, которые не наблюдаются в частицах более крупного размера. Исследование свойств квантовых точек и возможностей их практического применения ведется сейчас научными коллективами многих стран мира, а возможности использования такого рода объектов довольно обширны: различные метки и маркеры, включая биологические, полноцветные дисплеи, транзисторы, диоды, солнечные батареи.

Чтобы понять, в чем прелесть исследования, приведем один пример. Возьмем телевизоры нового поколения QD-OLED, где светятся нанокристаллы. Некоторые из таких кристаллов больше – они испускают красные лучи, другие меньше, — зеленые, все они состоят из одних и тех же солей кадмия. Но почему цвет разный? Потому что у очень маленьких частиц полупроводника — квантовых точек — размер кристалла напрямую влияет на свойства электронов внутри него. Теоретически еще сотню лет тому назад этот эффект описали физики, анализируя работу первых телевизоров на электронно-лучевых трубках. Однако подтвердить свои выводы и тем более применить их на практике сразу не смогли. А вот сегодняшние Нобелевские лауреаты по химии теорию смогли перевести в практику, благодаря чему и появились современный телевизор, уже упомянутая солнечная батарея или, например, средство для диагностики рака.

Среди университетов, где изучение квантовых точек реализуется на международном уровне — Казанский национальный исследовательский технологический университет. В этой связи присуждение Нобелевской премии Николаю Семёнову и группе зарубежных специалистов прокомментировал лидер казанской научной школы по изучению надмолекулярно-организованных гибридных систем, заведующий кафедрой физической и коллоидной химии КНИТУ профессор Юрий Галяметдинов.

«Алексей Иванович Екимов начал свои работы, которые привели в итоге к открытию квантовых точек, ещё в самом конце 1970-х годов, однако широкое внимание нанообъекты и наблюдаемые на них наноразмерные эффекты стали привлекать позже, с конца 80-х, когда появилась техника, достаточно чувствительная для их изучения, - объяснил профессор, чей комментарий направили в редакцию «Казанского репортера». - Тогда это был передний край науки и техники, а в настоящее время в лаборатории нашей кафедры на подобном оборудовании могут работать даже студенты, в том числе — изучая именно те эффекты и явления, за которые Бавенди, Брюс и Екимов получили Нобелевскую премию. Квантовые точки находят активно промышленное применение».

То, что в числе нобелиатов появилось имя нашего соотечественника, не случайно, считает профессор Галяметдинов: советские и российские исследователи внесли в изучение квантовых точек существенный вклад. Коллектив кафедры физической и коллоидной химии КНИТУ успешно продолжает традиции исследования нанообъектов и наноэффектов: работы наших ученых публикуются в самых авторитетных мировых научных журналах и широко цитируются, представители зарубежных университетов приезжают на кафедру физической и коллоидной химии на стажировки и для подготовки диссертаций.

Тема наноматериалов и конкретно квантовых точек — весьма актуальна, потому и привлекает научную молодежь как в России, так и в мире:

«Сейчас на нашей кафедре над проблематикой квантовых точек весьма плодотворно работает доцент Дмитрий Сагдеев. Его тема — парамагнитные квантовые точки, это новое оригинальное направление в исследовании квантовых точек, хотя для Казани не случайное — именно в нашем городе, как известно, было открыто само явление электронного парамагнитного резонанса. Открытые у нас квантовые точки сейчас активно используются в работах других ученых и находят важное практическое применение в качестве трассеров в нефтедобывающей промышленности и люминесцентных материалов для маркировки ценных изделий, в том числе — документов и ценных бумаг», — рассказал Юрий Галяметдинов.