Wetenschappers kunnen kwantumdots zorgvuldig aanpassen aan elke gewenste kleur, wat ertoe leidt dat de nanotechnologie wordt gebruikt in de volgende generatie tv-schermen.
Quantum dots zijn kleine kristallen die wetenschappers op verschillende kleuren kunnen afstemmen, waardoor een extra levendige pop op tv-schermen van de volgende generatie ontstaat of tumoren in lichamen worden verlicht, zodat chirurgen ze kunnen opsporen.
Drie wetenschappers hebben woensdag de Nobelprijs voor de Scheikunde gewonnen voor hun werk om een idee dat voor het eerst in de jaren dertig werd getheoretiseerd, om te zetten in een realiteit die nu een ereplaats heeft in huiskamers over de hele wereld.
Wat zijn ze?
Quantum dots zijn halfgeleidende deeltjes die slechts een duizendste van de breedte van een mensenhaar hebben.
In 1937 voorspelde de natuurkundige Herbert Froehlich dat zodra deeltjes klein genoeg waren – de zogenaamde nanodeeltjes – ze onder de vreemde betovering van de kwantummechanica zouden komen.
Om dit kwantumfenomeen te verklaren zei Judith Giordan, president van de American Chemical Society, dat je het ‘als een klein doosje moet zien’.
Wanneer een deeltje klein genoeg wordt gekrompen, zal het elektron “tegen de zijkanten van de doos botsen”, vertelde ze aan AFP.
In een grotere doos zouden de elektronen minder vaak op de zijkanten slaan, wat betekent dat ze minder energie hebben.
Voor kwantumdots zenden de grotere dozen rood licht uit, terwijl de kleinere blauw zijn.
Dit betekent dat wetenschappers, door de grootte van het deeltje te beheersen, hun kristallen rood, blauw en alles daartussenin kunnen maken.
Leah Frenette, een expert op het gebied van kwantumstippen aan het Imperial College London, vertelde AFP dat werken met het nanomateriaal hetzelfde was als “de hele dag naar regenbogen kijken”.
Maar het zou veertig jaar na de voorspelling van Froehlich zijn dat iedereen dit fenomeen daadwerkelijk kon waarnemen.
De ontdekkingen van de winnaars van de Nobelprijs voor scheikunde 2023.
Wie heeft wat ontdekt?
Begin jaren tachtig smolt de in Rusland geboren natuurkundige Alexei Ekimov – een van de nieuwe laureaten van woensdag – gekleurd glas en maakte röntgenfoto’s van de resultaten.
Hij merkte dat de kleinere deeltjes blauwer waren, en besefte ook dat dit een kwantumeffect was.
Maar omdat het glas was, was het materiaal niet gemakkelijk te manipuleren – en omdat het in een wetenschappelijk tijdschrift uit de Sovjet-Unie werd gepubliceerd, werd het door weinigen opgemerkt.
Rond dezelfde tijd werd in de Verenigde Staten een andere nieuwe laureaat, Louis Brus – zich niet bewust van het werk van Ekimov – de eerste die dit kleurrijke kwantumeffect in een vloeibare oplossing ontdekte.
“Lange tijd dacht niemand dat je ooit zulke kleine deeltjes zou kunnen maken, en toch zijn de laureaten van dit jaar daarin geslaagd”, aldus Johan Aqvist, lid van het Nobelcomité.
“Om kwantumdots echt nuttig te laten worden, moest je ze echter in oplossing kunnen maken met een uitstekende controle over hun grootte en oppervlak.”
De derde nieuwe Nobelprijswinnaar, de in Frankrijk geboren Moungi Bawendi, vond in 1993 in zijn laboratorium aan het Massachusetts Institute of Technology een manier om precies dit te doen.
Door de temperatuur van een vloeibaar mengsel van deeltjes, colloïde genaamd, nauwkeurig te regelen, kon Bawendi nanokristallen laten groeien tot de exacte grootte die hij wilde, waardoor de weg werd vrijgemaakt voor massaproductie.
Waar worden ze voor gebruikt?
Het meest voorkomende dagelijkse gebruik van kwantumdots vindt waarschijnlijk plaats in ‘QLED’-televisies.
Cyril Aymonier, hoofd van het Franse Instituut voor Gecondenseerde Materie Chemie, vertelde AFP dat de nanokristallen “de resolutie van het scherm verbeteren en de kwaliteit van de kleur langer behouden”.
De in Frankrijk geboren wetenschapper Moungi Bawendi vond een manier om nanokristallen precies zo groot te laten worden als hij wilde, waardoor hij controle kreeg over kwantumdots.
Artsen gebruiken hun heldere fluorescentie ook om organen of tumoren in de lichamen van patiënten te benadrukken.
Frenette zei dat ze werkt aan diagnostische tests die de stippen zouden gebruiken als ‘kleine bakens’ voor ziekten in medische monsters.
Eén probleem is dat de meeste kwantumdots worden gemaakt met behulp van cadmium, een giftig zwaar metaal.
Zowel Aymonier als Frenette zeiden dat ze werken aan kwantumdots die niet giftig zijn.
Toekomstig gebruik?
In de toekomst zouden kwantumstippen het potentieel kunnen hebben om de efficiëntie van zonnecellen te verdubbelen, zei Giordan.
Hun vreemde kwantumkrachten zouden twee keer zoveel elektronen kunnen produceren als de bestaande technologie, legde ze uit.
“Dat is verbazingwekkend, omdat we dichter bij de limiet van de huidige zonnematerialen komen”, voegde ze eraan toe.
Gebruik in het verleden?
Hoewel kwantumdots worden beschouwd als een van de meest vooruitstrevende wetenschapsgebieden, gebruiken mensen ze waarschijnlijk al eeuwenlang zonder het te weten.
De rode en gele kleuren in glas-in-loodramen die teruggaan tot de 10e eeuw laten zien dat kunstenaars uit die tijd volgens wetenschappers onbewust voordeel haalden uit technieken die resulteerden in kwantumdots.
