Нобелевскую премию по химии 2023 года, по сути, присудили за самый надежный в мире и простой в приготовлении краситель. Причем первооткрывателем нового метода окрашивания веществ стал наш бывший соотечественник, специалист в области физики твёрдого тела и оптики Алексей Екимов. После него по списку следуют американцы Луис Брюс и Мунги Бавенди. Премия, по официальной версии, присуждена за открытие и разработку полупроводниковых квантовых точек (нанокристаллов). Что это за точки, как они уже сегодня улучшают нашу с вами жизнь, обозреватель «Московского комсомольца» Наталья Веденеева поговорила с членом-корреспондентом РАН, профессором, руководителем Троицкого филиала ФИАН и заведующим кафедрой МПГУ Андреем Наумовым.
Люминесценция квантовых точек в микроскопе при возбуждении свечения лазером. Фото предоставлено А. Наумовым
– Мы очень рады, что Нобелевская премия присуждена нашему соотечественнику, ведь именно в нашей стране всегда находилась сильнейшая в мире школа люминесценции, – говорит Наумов. – Все мы знаем, основные природные красители – это органические молекулы. Они задают цвет предметам в рассеянном и отраженном свете. Но можно объекты заставить светиться, если, к примеру, направить на них лазер. К примеру, недавно в Светлогорске, что находится в Калининградской области, мне рассказали, как отличить натуральный янтарь от поддельного: натуральный, содержащий внутри себя люминесцентные красители люминофоры, при свете ультрафиолетового фонарика светится бело-оранжевым светом.
Алексей Екимов, по словам Наумова, первым пришел к выводу, что органические молекулы, которые придают окраску различным объектам, можно заменить полупроводниками, и цвет от этого будет более ярким и долговечным.
Справка «МК»: Полупроводник — это твердотельный кристаллический материал, электрическая проводимость которого намного меньше, чем в проводниках (металлах), и больше, чем в диэлектриках (к примеру, в резиновых перчатках).
Ученый догадался, что, если уменьшить полупроводник до нескольких нанометров (частиц, не видимых глазом), эти маленькие кубики или шарики начинают вести себя как люминесцирующие молекулы. Причем от их размеров зависит частота (энергия) излучаемых ими световых частиц – фотонов, то есть, в конечном счете – цвет.
– Екимов первым синтезировал такие полупроводниковые нанокристаллы в стекле довольно простым методом и обнаружил зависимость цвета от размера, – поясняет Андрей Наумов.
– Почему эти полупроводники назвали квантовыми точками?
– Точками – за их малые размеры, а квантовыми – за их квантовую природу – наличие ограниченного количества энергетических состояний.
– Разные цвета в природе обусловлены разными молекулами. Чтобы получить определенный цвет от полупроводника, его состав тоже должен быть особенным?
– В том-то и заключается преимущество полупроводника – он один может дать весь спектр цветов в зависимости от размеров его нанокристаллов. Правда, ученые все равно экспериментируют с разными составами кристаллов.
– Наш Алексей Екимов прояснил зависимость цвета квантовых точек от размеров, реализовал их метод синтеза в стекле, а за что дали премию Луису Брюсу и Мунги Бавенди?
– Брюс, работая над той же проблемой в США, разработал метод синтеза квантовых точек в коллоидном растворе, а Бавенди один из первых увидел свечение одной-единственной квантовой точки. Благодаря этому мы в итоге научимся лучше понимать природу света.
– Где же используются квантовые точки?
– Сейчас этих приложений очень много. На основе квантовых точек создаются новые красители, которые почти не деградируют в течение долгого времени, даже при освещении. Вспомните, сколько живет у вас чек из магазина? Уже через месяц вы ничего на нем не прочитаете. А если использовать для создания красителя квантовые точки — они будут «держать цвет», пока не истлеет бумага.
– Слышала, что есть приборы на основе квантовых точек...
Тут прикладную значимость определяет способность квантовых точек светиться. На основе этого были созданы источники излучения – диоды для лампочек, для светодиодных матриц. Но первым прибором, где обыватель столкнулся с технологией, использующей квантовые точки, оказался... телевизор. Одна из фирм использовала эти точки для увеличения яркости экрана, насыщенности тонов, заменив ячейками с ними обычные светодиоды. Быстрое преобразование цвета в световой волне уже используется в оптических квантовых компьютерах, в оптоволоконных линиях связи, которыми окутана вся планета, для каналов шифрования. Квантовые точки используют и в солнечной энергетике для создания более дешевых солнечных батарей.
Отмечу одну из ярчайших сфер применения квантовых точек – детекторы. Один из детекторов, который нам с вами хорошо известен, – это человеческий глаз. Но мы видим только в видимом диапазоне световой волны – от красного до фиолетового. Если нужно посмотреть в ультрафиолетовом или инфракрасном диапазонах, нужны другие приборы. К примеру, обычная матрица на фотокамере «видит» в гораздо большем диапазоне, но, если на нее нанести покрытие с квантовыми точками, этот диапазон расширится еще больше – такая камера будет снимать отличные кадры даже при полной темноте, без подсветки. Наконец, квантовые точки можно использовать в качестве маркеров в биомедицинской аналитике.
– Можно ли создать при помощи квантовых точек «умные» очки, через которые будет хорошо рассматривать полярное сияние?
– Думаю, в ближайшем будущем появится такое и много других приложений для этой технологии.
Автор: Наталья Веденеева
