Nowy laureat Nagrody Nobla opisuje ewolucję kropek kwantowych od badań podstawowych do zastosowań przemysłowych

Nagroda Nobla w dziedzinie chemii za rok 2023 trafia do trzech naukowców: L Odkrycie i synteza kropek kwantowychThe Weekly Chat rozmawiał z jednym z trzech chemików fizycznych Louisa Bruce’a, którzy wykonali podstawowe prace, aby dowiedzieć się, że właściwości tych nanocząstek zależą od ich wielkości. Telefon Bruce’a był wyłączony, gdy przedstawiciele Nobla zadzwonili do niego z dobrymi wiadomościami, ale teraz wiele osób otrzymało gratulacje i rady. Poniżej znajdują się zredagowane fragmenty podcastu.

Kiedy w latach 80. pracowałeś w Bell Labs i odkryłeś kropki kwantowe, było to prawie jak zbieg okoliczności. Badasz roztwory cząsteczek półprzewodników. Kiedy skierowałem promienie lasera na te roztwory, zwane koloidami, zauważyłem, że emitowane przez nie kolory nie są stałe.

Pierwszego dnia zrobiliśmy koloid i czasami widmo było inne. Drugi i trzeci dzień były normalne. Zdecydowanie byłem zaskoczony, kiedy po raz pierwszy zobaczyłem tę zmianę w widmie. Zacząłem więc zastanawiać się, co się z tym dzieje.

Zauważyłem, że właściwości samej cząstki zaczęły się zmieniać już przy bardzo małych rozmiarach.

Odkryła kropkę kwantową: rodzaj nanocząstki, która pochłania światło i emituje je na innej długości fali. Co najważniejsze, kolor tych cząstek zmienia się w zależności od rzeczywistego rozmiaru cząstki. Jak w ogóle można zobaczyć kryształ kropki kwantowej, skoro ma on zaledwie kilkaset tysięcznych średnicy ludzkiego włosa?

Cóż, nie można ich zobaczyć pod mikroskopem optycznym, ponieważ są mniejsze niż długość fali światła. Istnieją również sposoby, aby je zobaczyć, korzystając z innych typów specjalistycznych mikroskopów, takich jak mikroskop elektronowy. Powszechnym sposobem zilustrowania tego jest wyłożenie rzędów kolorowych szklanych fiolek roztworem kropek kwantowych o różnych rozmiarach.

Jeden z Twoich współwyznawców, Aleksiej JekimowBył rosyjskim naukowcem i rzeczywiście zaobserwował kropki kwantowe w witrażach, ale nie wiedziałeś wówczas o jego odkryciach?

Tak, to jest poprawne. Trwała wówczas zimna wojna, a literatura rosyjska ukazywała się w języku rosyjskim. Nie pozwolono mu podróżować na Zachód, aby rozmawiać o swojej pracy.

Zapytałem wszystkich fizyków, czy były jakieś prace nad małymi cząstkami? Próbowałem stworzyć model ilościowych efektów wielkości. Powiedzieli mi, że nie, nikt tak naprawdę nad tym nie pracuje. W zasadzie nikt nie widział jego artykułów.

Należałem do Amerykańskiego Towarzystwa Chemicznego i pracowałem w laboratorium nad chemią syntetyczną. Pracował w przemyśle szklarskim Związku Radzieckiego i zajmował się technologią przemysłową.

Kiedy w końcu znalazłem jego artykuły w literaturze technologicznej, napisałem list do Związku Radzieckiego z moimi dokumentami, żeby przywitać się z Ekimowem i jego kolegami. Kiedy wiadomość nadeszła, KGB przyszło porozmawiać z rosyjskimi naukowcami, próbując dowiedzieć się, dlaczego kontaktują się oni z kimkolwiek na Zachodzie. Ale tak naprawdę nigdy nie rozmawiali ze mną ani z nikim na Zachodzie, kiedy mój list dotarł pocztą.

Spotkałeś go od tego czasu?

Tak, udało im się wydostać ze Związku Radzieckiego podczas głasnosti, która miała miejsce pod koniec lat 80-tych. Jest Ekimow i jego asystent teoretyczny Sasza Efrosktóry obecnie pracuje w Laboratorium badawcze Marynarki Wojennej Stanów Zjednoczonych. Spotkałem ich zaraz po przybyciu do Stanów Zjednoczonych

Jednym z problemów związanych z kropkami kwantowymi, kiedy zauważyłem je po raz pierwszy, był sposób ich wytwarzania i utrzymywania stabilności. Następnie, w latach 90., twój inny zdobywca nagrody, Mongee BoundyDowiedz się tego. Jaka jest według Ciebie najbardziej uderzająca rzecz, do której do tej pory wykorzystałeś kropki kwantowe?

Zwykle po wynalezieniu nowej substancji potrzeba dużo czasu, aby dowiedzieć się, do czego naprawdę jest dobra. Naukowcy zajmujący się badaniami, oni mają pomysły, możecie je wykorzystać do tego celu, możecie ich użyć do tego. Ale jeśli porozmawiasz z ludźmi z branży, którzy na co dzień zajmują się problemami produkcyjnymi, te pomysły często nie są zbyt dobre.

Jednak zdobytą przez nas wiedzę i zasady naukowe można wykorzystać do projektowania nowych urządzeń.

Jeśli chodzi o pierwsze zastosowania, zaczęto próbować zastosować je w obrazowaniu biologicznym. Biochemicy przyłączają kropki kwantowe do innych cząsteczek, aby pomóc w mapowaniu komórek i narządów. Wykorzystywano je również do wykrywania nowotworów i pomagania chirurgom podczas operacji.

W miarę jak naukowcy kontynuują prace nad wytwarzaniem kropek kwantowych, jakość cząstek stale się poprawia. Emitowały czyste kolory, a nie rozkłady światła, takie jak czerwień z odrobiną zieleni lub czerwień z odrobiną różu. Kiedy otrzymasz lepszą cząstkę, będzie to na przykład czysta czerwień.

Następnie ludzie skontaktowali się z branżą wyświetlaczy — monitorów komputerowych i ekranów telewizyjnych. W tej aplikacji chcesz przekonwertować energię elektryczną na trzy kolory: czerwony, zielony i niebieski. Możesz stworzyć dowolny typ obrazu, zaczynając od tych trzech kolorów w różnych proporcjach.

Wymaga to dużej odwagi. Trzeba zainwestować dużo pieniędzy w rozwój technologii, a może ostatecznie nie będzie ona wystarczająco dobra i nie zastąpi tego, co już masz. Duża w tym zasługa Samsunga w Japonii. W technologię tych cząstek zainwestowano setki miliardów dolarów, aby doprowadzić je do punktu, w którym będzie można rozpocząć produkcję wyświetlaczy i telewizorów z płaskim ekranem przy użyciu kropek kwantowych.

Twoja praca jest przykładem na to, jak ważne są badania podstawowe, ciekawość i próba rozwiązywania zagadek, nie mając w perspektywie konkretnego punktu końcowego ani zastosowania przemysłowego. Jaką wiadomość chciałbyś wysłać młodemu chemikowi, który dziś rozpoczyna pracę nad takimi badaniami podstawowymi?

Świat jest ogromnym miejscem i można prowadzić podstawowe badania w wielu różnych dziedzinach. Chcesz wybrać problem, który, jeśli odniesiesz w nim niesamowity sukces i faktycznie odkryjesz coś naprawdę interesującego, może mieć jakieś zastosowanie na świecie.

Na dobre i na złe, musisz najpierw dokonać wyboru i wymaga to odrobiny intuicji.

Dobrym sposobem na to jest wybranie tematu, o którym wiesz, że jest ważny dla technologii, ale w tej chwili nie ma zrozumienia tej nauki. To kompletna czarna skrzynka. Nikt nie rozumie podstawowych zasad. Jeśli chodzi o tego rodzaju problem, możesz zacząć go rozkładać i zobaczyć, jakie są podstawowe kroki.

Co zmieniło się w Twoim życiu teraz, gdy zdobyłeś Nagrodę Nobla?

Cóż, ta Nagroda Nobla, na dobre i na złe, ma szczególne znaczenie w umysłach ludzi na całym świecie. Wczoraj, kiedy przyszedł listonosz, akurat stał przed drzwiami wejściowymi i rozpoznał mnie, bo moja twarz była w lokalnej gazecie. „Nigdy wcześniej nie uścisnąłem dłoni laureata Nagrody Nobla” – powiedział.

Na dobre i na złe, tu właśnie jestem, w specjalnej kategorii, czy mi się to podoba, czy nie. Nadal mam swoje biuro na uniwersytecie, ale nie mam grupy badawczej. Staram się to zostawiać młodym ludziom. Zatem to uznanie prawdopodobnie znaczy mniej dla moich badań, niż oznaczałoby, gdybym miał 40 lat.

Otrzymałem e-mailem gratulacje od wielu osób, które zdobyły tę nagrodę w ubiegłych latach. Ich głównym zaleceniem jest to, że powinieneś nauczyć się mówić nie. Ludzie będą cię prosić o różne szalone rzeczy, a cały twój czas będzie poświęcony tym honorowym wizytom w college’u i krótkim przemówieniom. Aby mieć prawdziwe życie i być produktywnym, musisz odmówić tym wszystkim obcym zaproszeniom.

Powiedzieli mi też, żebym się świetnie bawił w Szwecji! To bardzo szczegółowy harmonogram wydarzeń na grudniowy tydzień, w którym odbywa się ceremonia wręczenia nagród. Bardzo fantazyjne. Kultura amerykańska różni się od kultury fizycznej, więc jeśli zdobędziesz nagrodę Amerykańskiego Towarzystwa Fizycznego, będzie to bardzo proste wydarzenie. Po prostu pojawiasz się na korytarzu. Nie musisz nawet nosić garnituru.

Zabiorę więc moją rodzinę i wnuki do Szwecji i postaramy się cieszyć tymi wspaniałymi wakacjami.