Telewizor z Noblem? Nagrodę z chemii przyznano za kropki kwantowe

Szwedzka Akademia przyznała Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii za badania nad kropkami kwantowymi. Stanowią one podstawę nowoczesnych wyświetlaczy, ale mogą też zrewolucjonizować walkę z rakiem.

04.10.2023

Czyta się kilka minut

Ogłoszenie Nagrody Nobla z chemii. Sztokholm, 4 października 2023 r. / FOT. JONATHAN NACKSTRAND/AFP/East News

Moungi Bawendi, dziś profesor na Massachusetts Institute of Technology (MIT), jako student nie oblał egzaminu z chemii tak po prostu. Na pierwszym roku oblał go wręcz koncertowo. „Dostałem 20 na 100 punktów. To była najniższa ocena w klasie. Pomyślałem: o nie, to mój koniec, co ja tu robię?” – mówił w kilka godzin po tym, jak otrzymał najważniejszą nagrodę w tej dziedzinie.

Bawendi, jego mentor Louis Brus z Uniwersytetu Columbia oraz rosyjski chemik Aleksiej Jekimow, reprezentujący amerykańską firmę Nanocrystals Technology Inc., otrzymali właśnie Nagrody Nobla za prace nad tzw. kwantowymi nanocząstkami lub kropkami kwantowymi. To kryształki tak małe, że przestają zachowywać się jak „konwencjonalna” materia, a ich właściwościami zaczynają rządzić efekty kwantowe.

Kropka na papierze

Badane przez laureatów nanocząstki mają od 1 do 100 nanometrów (ludzki włos ma 80-100 tys. nanometrów średnicy) i zawierają najwyżej kilka tysięcy atomów. Zbudowane są z kryształków takich związków jak siarczek ołowiu lub selenek kadmu. Zazwyczaj to właśnie skład chemiczny materiału jest głównym czynnikiem decydującym o jego właściwościach. Jednak w przypadku nanocząstek skład staje się niemal drugorzędny – decydujący jest rozmiar.

„Kwantowe cząstki to nowa klasa materiałów, innych od klasycznych cząsteczek – mówił Heiner Linke, członek Komitetu Noblowskiego. – Zazwyczaj, jeśli chcesz wyprodukować cząsteczki dające różne kolory, musisz stworzyć nową cząsteczkę, nowy zestaw atomów o nowej strukturze. Ale kropki kwantowe składają się z dokładnie takich samych atomów. Jedyną różnicą między nimi jest rozmiar”.

Kolor to tylko jedna z właściwości, która zmienia się wraz ze zmianą rozmiaru tych cząstek. Nanocząstki o takim samym składzie, ale różnych rozmiarach, mogą różnić się właściwościami optycznymi, elektrycznymi, magnetycznymi, a nawet temperaturą topnienia.

Całkowicie normalną reakcją niechemika na te doniesienia byłoby wzruszenie ramionami. W końcu, jeśli chcemy mieć materiał o nieco innych właściwościach, możemy po prostu sięgnąć po inny materiał. Nanocząstki dają jednak bezprecedensową możliwość niezwykle precyzyjnego dostrajania zachowania materiałów w najmniejszej możliwej skali. A to otwiera drogę do wielu zastosowań.

Pierwsze teoretyczne prace nad nanocząstkami opublikowano jeszcze przed II wojną światową. Początkowo te cząstki dla naukowców istniały jednak tylko na papierze. „Przez długi czas nikt nie sądził, że rzeczywiście można stworzyć tak małe cząstki” – mówił podczas ceremonii ogłoszenia nagrody przewodniczący Komitetu Noblowskiego w dziedzinie chemii Johan Åqvist.

Wszystko zmieniło się na początku lat 80. XX w. Najpierw Jekimow, radziecki chemik, udowodnił, że można wytworzyć kolorowe szkło barwione nanocząstkami chlorku miedzi, o których kolorze decydują efekty kwantowe. Kilka lat później Louis Brus wykazał, że nanocząstki można stworzyć w płynie. Obaj udowodnili, że efekty kwantowe sprawiają, iż mikroskopijne kryształy zmieniają diametralnie swoje właściwości wyłącznie ze względu na zmianę rozmiaru ich cząstek.

To wszystko byłoby jednak tylko ciekawostką dla fizyków i chemików, gdyby nie prace trzeciego laureata.

Synteza kryształków

Moungi Bawendi, syn cenionego tunezyjskiego matematyka, jako doktorant zaczął pracę w laboratoriach AT&T Bell Laboratories, gdzie Brus dokonał swoich odkryć. „Byłem podekscytowany tą współpracą, ponieważ otworzyła ona zupełnie nową dziedzinę nauki, która stwarza wiele okazji do dokonywania nowych odkryć” – mówił po ogłoszeniu nagrody portalowi MIT News.

W 1993 r. jego zespołowi udało się opracować nową, rewolucyjną metodę produkcji nanocząstek, pozwalającą na precyzyjne kontrolowanie ich rozmiarów i właściwości. To umożliwiło wykorzystanie ich w praktycznych zastosowaniach. Badacz podkreśla, że początkowo nie myślał o tym, iż jego eksperymenty mogą się do czegokolwiek przydać.

„Po prostu pracowaliśmy i pracowaliśmy, aż w końcu opracowaliśmy proces wytwarzania cząstek wystarczająco dobrych do badań w naukach podstawowych. Okazało się, że proces ten można wykorzystać do zastosowań, o których nigdy byśmy nie pomyśleli” – powiedział MIT News.

 

Dziś nanocząstki mogą znajdować się już w naszych domach. Są stosowane w zaawansowanych wyświetlaczach, takich jak telewizory. Ich precyzyjnie wyznaczone właściwości sprawiają, że nanokropki pozwalają telewizorom wyświetlać o wiele szerszy zakres kolorów, bliski limitom ludzkiego oka. To dzięki nim wyświetlacze o ultrawysokich rozdzielczościach mogą produkować obrazy tak naturalne, że oszukują nasz wzrok.

Nanokropki zrewolucjonizowały też np. obrazowanie medyczne. Pomogły w stworzeniu systemów wykrywania nowotworów, angiogramów, a nawet chirurgii robotycznej.

Elastyczna technologia

A to zaledwie początek możliwości oferowanych przez kropki kwantowe. Nanocząstki mogą pomóc w tworzeniu elastycznych urządzeń elektronicznych, laserów nowej generacji, astrofizycznych czujników pozwalających odkryć tajemnice Wszechświata czy ogniw słonecznych poprawiających wydajność produkcji zielonej energii.

„To naprawdę wspaniale widzieć, jak nasze odkrycia zostały wykorzystane w tak wielu dziedzinach. Nie spodziewaliśmy się tego – podkreślał Bawendi. – Chcieliśmy po prostu przestudiować nowe materiały”.

Jego laboratorium opracowało także spektrometry oparte na kropkach kwantowych, które są na tyle małe, że mieszczą się w smartfonie. Podobne urządzenia można byłoby wykorzystać do diagnozowania chorób, szczególnie schorzeń skóry, czy wykrywania substancji zanieczyszczających środowisko. Badacze wykorzystują już kropki kwantowe do wykrywania chorób zakaźnych, w tym HIV, grypy i wirusowego zapalenia wątroby typu B.

Przespana nagroda

Cała trójka musiała czekać wiele lat od momentu opublikowania przełomowych prac na wyróżnienie przez Komitet Noblowski, co zresztą w ostatnich latach jest normą. Z analizy ekonomisty Pandelisa Mitsisa opublikowanej w ubiegłym roku wynika, że średni „czas oczekiwania” na nagrodę wynosił w minionej dekadzie ponad 25 lat. W dziedzinie chemii najdłużej, bo aż trzy dekady. Współcześni uczeni czekają na Noble dwa razy dłużej niż w połowie ubiegłego wieku.

W tym roku laureaci mogli jednak poznać samą decyzję Komitetu Noblowskiego o kilka godzin za szybko. Choć ten zapewnia, że debaty nad tym, komu przyznać nagrodę, trwają często niemal do momentu jej wręczenia, komunikat prasowy został wysłany zdecydowanie wcześniej. W środę rano, jeszcze przed oficjalnym ogłoszeniem laureatów, pełną ich listę wraz ze szczegółowym wyjaśnieniem przyczyn przyznania nagrody otrzymali dziennikarze szwedzkiego dziennika „Aftonbladet”.

„Z nieznanych jeszcze powodów przedwcześnie wysłano komunikat prasowy – wyjaśniał na noblowskiej konferencji sekretarz Akademii Hans Ellegren. – Żałujemy, że tak się stało. Ważne, że nie wpłynęło to w żaden sposób na odbiorców”.

Faktycznie, Bawendi wydawał się zupełnie nieświadomy przyznania mu nagrody, kiedy przed amerykańskim świtem zbudził go telefon ze Sztokholmu.

„Jestem bardzo zaskoczony, zszokowany, śpiący i ­zaszczycony – powiedział, gdy zadzwonili do niego ­przedstawiciele Akademii. – To dziedzina, w rozwijaniu której od początku uczestniczyło wielu ludzi. Nie sądziłem, że to ja otrzymam tę nagrodę. Wszyscy współpracujemy”.

Wychowany w ZSRR Jekimow nieco inaczej podsumował nagrodę, której najbardziej widocznym dziś rezultatem są dość drogie wyświetlacze QLED. „Za moich czasów telewizor wyglądał zupełnie inaczej” – stwierdził, łącząc się ze Sztokholmem z Meksyku. ©

Tekst zaktualizowano 11 października 2023 r.

Dziękujemy, że nas czytasz!

Wykupienie dostępu pozwoli Ci czytać artykuły wysokiej jakości i wspierać niezależne dziennikarstwo w wymagających dla wydawców czasach. Rośnij z nami! Pełna oferta →

Dostęp 10/10

  • 10 dni dostępu - poznaj nas
  • Natychmiastowy dostęp
  • Ogromne archiwum
  • Zapamiętaj i czytaj później
  • Autorskie newslettery premium
  • Także w formatach PDF, EPUB i MOBI
10,00 zł

Dostęp kwartalny

Kwartalny dostęp do TygodnikPowszechny.pl
  • Natychmiastowy dostęp
  • 92 dni dostępu = aż 13 numerów Tygodnika
  • Ogromne archiwum
  • Zapamiętaj i czytaj później
  • Autorskie newslettery premium
  • Także w formatach PDF, EPUB i MOBI
79,90 zł
© Wszelkie prawa w tym prawa autorów i wydawcy zastrzeżone. Jakiekolwiek dalsze rozpowszechnianie artykułów i innych części czasopisma bez zgody wydawcy zabronione [nota wydawnicza]. Jeśli na końcu artykułu znajduje się znak ℗, wówczas istnieje możliwość przedruku po zakupieniu licencji od Wydawcy [kontakt z Wydawcą]
Dziennikarz naukowy, reporter telewizyjny, twórca programu popularnonaukowego „Horyzont zdarzeń”. Współautor (z Agatą Kaźmierską) książki „Strefy cyberwojny”. Stypendysta Fundacji Knighta na MIT, laureat Prix CIRCOM i Halabardy rektora AON. Zdobywca… więcej

Artykuł pochodzi z numeru Nr 42/2023