De golflengte van het licht dat een kwantumdot uitzendt, is afhankelijk van de grootte ervan. Credit: Maysinger, Ji, Hutter, Kuiper, CC DOOR
De Nobelprijs voor scheikunde 2023 is niet de eerste Nobelprijs toegekend voor onderzoek in nanotechnologie. Maar het is misschien wel de meest kleurrijke toepassing van de technologie die met de onderscheiding wordt geassocieerd.
De prijs van dit jaar erkent Moungi Bawendi, Lodewijk Brus En Alexei Ekimov voor de ontdekking en ontwikkeling van kwantumdots. Al vele jaren deze nauwkeurig geconstrueerde deeltjes van nanometerformaat– slechts een paar honderdduizendste van de breedte van een mensenhaar in diameter – waren de lievelingen van pitches en presentaties over nanotechnologie. Als een onderzoeker En adviseur over nanotechnologie, Ik heb ze zelf ook gebruikt wanneer u met ontwikkelaars, beleidsmakers, belangengroepen en anderen praat over de beloften en gevaren van de technologie.
De oorsprong van nanotechnologie dateert van vóór het werk van Bawendi, Brus en Ekimov over kwantumdots – de natuurkundige Richard Feynman speculeerde over wat mogelijk zou kunnen zijn door middel van engineering op nanoschaal. al in 1959en ingenieurs als Erik Drexler speculeerden over de mogelijkheden van atomair nauwkeurige productie in de jaren tachtig. Het drietal Nobelprijswinnaars van dit jaar maakte echter deel uit van de eerste golf van moderne nanotechnologie waar onderzoekers mee begonnen Doorbraken in de materiaalkunde praktisch toepassen.
Quantumdots briljant fluoresceren: Ze absorberen één kleur licht en zenden deze vrijwel onmiddellijk weer uit als een andere kleur. Een flesje met kwantumdots schijnt, wanneer het wordt verlicht met breedspectrumlicht, met een enkele levendige kleur. Wat ze echter bijzonder maakt, is dat hun kleur wordt bepaald door hoe groot of klein ze zijn. Maak ze klein en je krijgt een intens blauw. Maak ze groter, maar nog steeds op nanoschaal, en de kleur verschuift naar rood.
Deze eigenschap heeft geleid tot veel pakkende afbeeldingen van rijen flesjes met kwantumdots van verschillende groottes, variërend van opvallend blauw aan de ene kant, via groen en oranje, tot levendig rood aan de andere kant. Deze demonstratie van de kracht van nanotechnologie is zo opvallend dat kwantumdots begin jaren 2000 iconisch werden voor de vreemdheid en nieuwheid van nanotechnologie.
Maar kwantumdots zijn natuurlijk meer dan een visueel aantrekkelijke salontruc. Ze laten zien dat unieke, controleerbare en bruikbare interacties tussen materie en licht kunnen worden bereikt door de fysieke vorm van materie te manipuleren – door de grootte, vorm en structuur van objecten of instanties te wijzigen – in plaats van te spelen met de chemische bindingen tussen atomen en moleculen. Dit onderscheid is belangrijk en vormt de kern van de moderne nanotechnologie.
Sla chemische bindingen over, vertrouw op de kwantumfysica
De golflengten van het licht dat een materiaal absorbeert, reflecteert of uitzendt, wordt meestal bepaald door de chemische bindingen die de samenstellende atomen aan elkaar binden. Speel met de chemie van een materiaal en het is mogelijk om deze bindingen te verfijnen, zodat ze je de gewenste kleuren geven. Bijvoorbeeld enkele van de vroegste kleurstoffen begonnen met een heldere stof zoals analinegetransformeerd door chemische reacties in de gewenste tint.
Het is een effectieve manier om met licht en kleur te werken, maar het leidt ook tot producten die dat doen verdwijnen in de loop van de tijd naarmate deze obligaties degraderen. Vaak gaat het ook om het gebruik van chemicaliën die dat wel zijn schadelijk voor mens en milieu.
Kwantumdots werken anders. In plaats van afhankelijk te zijn van chemische bindingen om de golflengten van het licht te bepalen dat ze absorberen en uitstralen, vertrouwen ze op zeer kleine clusters van halfgeleidende materialen. Het is de kwantumfysica van deze clusters dat bepaalt vervolgens welke golflengten van licht worden uitgezonden – en dit hangt op zijn beurt af van hoe groot of klein de clusters zijn.
Dit vermogen om af te stemmen hoe een materiaal zich gedraagt ​​door simpelweg de grootte ervan te veranderen, is een gamechanger als het gaat om de intensiteit en kwaliteit van het licht dat kwantumdots kunnen produceren, evenals hun weerstand tegen verbleken of vervagen, hun nieuwe toepassingen en – indien ontwikkeld slim – hun giftigheid.
Een voorbeeld van ‘basiscodering’ waarbij atomen worden gebruikt om een ​​materiaal met nieuwe eigenschappen te creëren, is een ‘nanocar’ uit één molecuul, vervaardigd door scheikundigen, die kan worden gecontroleerd terwijl deze over een oppervlak ‘rijdt’. Credit: Alexis van Venrooy/Rice Universiteit, CC BY-ND
Natuurlijk zijn maar weinig materialen volledig niet-giftig, en kwantumdots vormen daarop geen uitzondering. Vroege kwantumdots waren bijvoorbeeld vaak gebaseerd op cadmiumselenide, waarvan de samenstellende materialen giftig zijn. De potentiële toxiciteit van kwantumdots moet echter worden afgewogen tegen de waarschijnlijkheid van vrijkomen en blootstelling en hoe deze zich verhouden tot alternatieven.
Sinds haar begindagen heeft de quantum dot-technologie zich ontwikkeld op het gebied van veiligheid en bruikbaarheid en heeft zij haar weg gevonden naar een toenemend aantal producten, van displays En verlichtingnaar sensoren, biomedische toepassingen en meer. In het proces is misschien een deel van hun nieuwigheid verdwenen. Het kan moeilijk zijn om te onthouden hoeveel grote sprong de technologie is die wordt gebruikt om de technologie te promoten nieuwste generatie flitsende tv’sbijvoorbeeld.
En toch zijn kwantumdots een cruciaal onderdeel van een technologietransitie die een revolutie teweegbrengt in de manier waarop mensen met atomen en moleculen werken.
‘Basiscodering’ op atomair niveau
In mijn boek “Films uit de toekomst: de technologie en moraliteit van sciencefictionfilms“Ik schrijf over het concept van”basis coderingHet idee is simpel: als mensen de meest fundamentele code kunnen manipuleren die de wereld waarin we leven definieert, kunnen we beginnen deze opnieuw te ontwerpen en opnieuw te ontwerpen.
Dit concept is intuïtief als het gaat om computergebruik, waarbij programmeurs de “basiscode” van 1,s en 0’s gebruiken, zij het via talen van een hoger niveau. Het is ook logisch in de biologie, waar wetenschappers steeds bedrevener worden in het lezen en schrijven van de basiscode van DNA en RNA – in dit geval met behulp van de chemische basen adenine, guanine, cytosine en thymine als hun codeertaal.
Dit vermogen om met basiscodes te werken strekt zich ook uit tot de materiële wereld. Hier bestaat de code uit atomen en moleculen en hoe deze zijn gerangschikt op manieren die tot nieuwe eigenschappen leiden.
Het werk van Bawendi, Brus en Ekimov over kwantumdots is een perfect voorbeeld van deze vorm van basiscodering van de materiële wereld. Door kleine clusters van bepaalde atomen nauwkeurig te vormen tot bolvormige ‘stippen’, konden ze nieuwe kwantumeigenschappen aanboren die anders ontoegankelijk zouden zijn. Door hun werk demonstreerden ze de transformerende kracht die voortkomt uit het coderen met atomen.
Ze hebben de weg vrijgemaakt voor steeds geavanceerdere basiscodering op nanoschaal, die nu leidt tot producten en toepassingen die zonder deze code niet mogelijk zouden zijn. En ze waren onderdeel van de inspiratie voor a nanotechnologie revolutie dat gaat tot op de dag van vandaag door. Het opnieuw ontwerpen van de materiële wereld op deze nieuwe manieren overstijgt ver wat kan worden bereikt met meer conventionele technologieën.
Deze mogelijkheid werd vastgelegd in een rapport van de Amerikaanse National Science and Technology Council uit 1999 met de titel Nanotechnologie: de wereld atoom voor atoom vormgeven. Ook al wordt er niet expliciet melding gemaakt van kwantumstippen – een omissie waarvan ik zeker weet dat de auteurs zichzelf nu voor de gek houden – het geeft wel weer hoe transformerend het vermogen om materialen op atomaire schaal te ontwikkelen zou kunnen zijn.
Deze vorming van de wereld op atomair niveau is precies wat Bawendi, Brus en Ekimov met hun baanbrekende werk nastreefden. Ze behoorden tot de eerste ‘basiscodeurs’ van materialen, omdat ze atomair nauwkeurige techniek gebruikten om de kwantumfysica van kleine deeltjes te benutten – en de erkenning door het Nobelcomité van de betekenis hiervan is welverdiend.
Geleverd door Het gesprek
