Нобелевскую премию по химии в 2023 году получили сразу три учёных за одно открытие. Мунги Бавенди, Луис Брюс и Алексей Екимов удостоились высшей научной награды за открытие и синтез квантовых точек — полупроводниковых нанокристаллов с уникальными оптическими и электронными свойствами. Квантовые точки находят или в скором времени найдут применение в самых разных сферах: от производства дисплеев до солнечной энергетики и биомедицины. Мы изучили десяток научно-популярных статей и обзоров, чтобы разобраться, что необычного в этих точках, как их открыли, как используют и планируют использовать уже в ближайшем будущем.
Квантовый мир живёт по своим законам в сравнении с привычным нам макромиром. Что справедливо для макромира, совсем не обязательно работает в мире квантовом, и наоборот. Когда атомы собираются в макроскопические объемы, у вещества возникают знакомые и интуитивно понятные нам свойства: вес, плотность, электропроводимость, отражающая способность и так далее. Однако стоит спуститься на уровень одного атома и поискать там те же свойства, всякий смысл в таком поиске пропадает, поскольку признаки, которые мы ищем, исчезают, уступая место иным совсем непонятным интуитивно характеристикам.
Пока размер системы не превышает нескольких нанометров и небольшого количества атомов — речь идёт о квантовом мире, как только размер и количество атомов значительно увеличиваются — квантовые законы сменяются привычным нам с уроков физики и химии законами макромира. Если всё, что происходит в макромире, можно увидеть и подкрепить наглядным экспериментом, то когда речь заходит о квантовой механике, понимание возможно лишь через сложные математические вычисления.
И всё же два мира взаимосвязаны. Вещества в макромире имеют свои свойства и подчиняются законам физики и химии ровно потому, что на квантовом уровне их атомы имеют особые квантовые свойства и подчиняются набору особых квантовых законов. Сфера нанотехнологий занимается изменениями свойств атомов на квантовом уровне таким образом, чтобы на макроуровне получать вещества и материалы невиданных ранее макрохарактеристик.
И вот причём тут квантовые точки: они существуют как бы на границе двух миров. Нанокристаллы квантовых точек являются хоть и очень маленькими (от 2 нанометров), но уже почти объектами макромира. Однако их практические свойства возникают в результате работы законов квантового мира. Эти частицы интересны тем, что их электронные свойства зависят от размера и формы кристалла. Меняя размер и форму квантовых точек, можно управлять их свойствами: менять их цвет и заставлять превращать свет в электричество.
Квантовые точки — одни из немногих в своём роде объектов, не просто совмещающих в себе характеристики макро- и квантового мира, но и позволяющих людями использовать это свойство на практике. За это-то троице учёных и дали Нобелевку. Интересно, что открыли квантовые точки ещё в восьмидесятых, причём дважды, а вот синтезировать научились только десятилетие спустя.
История открытия
В конце 1970-х годов советский учёный Алексей Екимов экспериментировал с производством цветных стекол. Он обнаружил, что одна и та же добавка может окрасить стекло в разные цвета в зависимости от того, как нагревать и охлаждать размягченный материал. Екимов заинтересовался этим эффектом и начал исследовать его механизм. Он использовал хлорид меди для изготовления стекла при различных температурах и периодах нагрева и обнаружил в получившемся стекле нанокристаллы хлорида меди. Они имели разный размер и спектральные свойства. Самые крупные из полученных Екимовым нанокристаллов поглощали свет той же длины волны, что и известные макроскопические кристаллы хлорида меди. Также учёный обнаружил, что чем меньше нанокристалл, тем короче волны, которые он поглощает.
Екимов заметил, что размер частиц влияет на оптические свойства вещества, и назвал эти частицы квантовыми точками. Он опубликовал свои результаты в 1981 году в «Письмах в “Журнал экспериментальной и теоретической физики”». Американский учёный Луис Брюс советских журналов не читал и не знал о работе Екимова. В 1983 году он совершил открытие независимо от советского коллеги, получив нанокристаллы сульфата кадмия, тоже изменяющие цвет в зависимости от размера.
Впрочем, оказалось, что до практического применения ещё далеко. Поскольку квантовые точки имеют свойства, зависящие от размера, нужно было найти способ получать их в нужном количестве и размере и при этом делать это дешево. Методы производства нанокристаллов Екимова и Брюса позволяли контролировать лишь средний размер, но разброс вокруг него был довольно большим. Для получения квантовых точек, которые поглощали бы только определенный цвет, физикам приходилось сортировать готовые наночастицы по размеру, что было трудным и дорогостоящим процессом. Кроме того, нанокристаллы часто имели дефекты. Словом, ни у первого, ни у второго изобретателя квантовых точек не получилось найти способ стабильного и контролируемого массового производства.
Однако проблему решил ученик Луиса Брюса Мунги Бавенди, который в 1993 году изобрел технологию получения близких к идеальным нанокристаллов. Он использовал реагенты, которые образовывали селенид кадмия в горячем растворителе, и через тонкую иглу впрыскивал их в раствор. В результате образовывались наночастицы селенида кадмия, размеры которых можно было регулировать путем изменения температуры раствора. Этот метод оказался удобным и относительно дешевым не только для селенида кадмия, но и для других веществ. Благодаря открытию Бавенди квантовые точки стали доступны к практическому применению.
Практические точки
Дисплеи
Квантовые точки находят применение в таких областях, как оптоэлектроника, солнечная энергетика, люминесцентные материалы, биомедицина и квантовые компьютеры. Одно из основных применений — создание квантовых светодиодов и фотодиодов. В этих устройствах квантовые точки используются в качестве активной области, которая «конвертирует» синюю подсветку в красный и зеленый цвета, что на выходе (вместе с синей) дает нужный нам RGB. .
Использование квантовых точек в дисплеях — пока что наиболее известный пример практического применения технологии. Там они присутствуют в виде дополнительной нанокристаллической плёнки и отвечают за более точную цветопередачу изображения. Большинство ЖК-дисплеев неспособны отобразить весь спектр цветов, который в состоянии воспринять человеческий глаз. По некоторым оценкам, жидкокристаллические дисплеи охватывают только четверть оттенков из возможных. Поскольку технология квантовых точек позволяет довольно точно задавать длину волны излучаемого нанокристаллами света, дисплеи с применением этой технологии расширяют диапазон отображаемых цветов минимум на 50%. QLED-экраны способны показывать гораздо более яркую и сочную картинку, чем их жидкокристаллические собратья. С ними могут, в принципе, потягаться OLED-дисплеи, хотя бы благодаря «абсолютно черному», но у них есть пара недостатков: дороговизна, выгорание и меньший срок службы.
Солнечная энергетика
В солнечной энергетике квантовые точки используются для улучшения характеристик солнечных элементов. Нанокристаллы обладают уникальными оптическими свойствами, которые позволяют им поглощать больше света, чем традиционные основы для солнечных батарей на базе кремния, и преобразовывать его в электричество.
За последнее десятилетие с небольшим ученые разработали несколько прототипов солнечных батарей на основе квантовых точек. Например, в 2011 году исследователи из университета Нотр-Дама разработали «солнечную» краску на основе диоксида титана, которая может превратить любой объект в солнечную батарею. У нее очень низкий коэффициент преобразования — около 1% поглощенного света превращается в энергию, но она дешева в производстве и может производиться в больших объемах. В 2014 году ученые из Массачусетского технологического института представили метод изготовления солнечных элементов из ультратонких слоев квантовых точек, коэффициент преобразования их разработки составил уже 9%. А в 2022 году специалисты из Кореи разработали солнечные панели с квантовыми точками, которые показали эффективность в 25,7%. Такой эффект был достигнут в том числе за счёт способности квантовых точек поглощать практически весь спектр солнечного излучения. Исследования в этой области продолжаются.
Люминесценты и биомедицина
То, как квантовые точки обходятся со световыми волнами, нашло широкое применение в тех сферах, где важны люминесцентные свойства материалов. Поэтому они используются в полиграфической промышленности для создания растворов, превосходящих по своим характеристикам обычные люминофоры. Они обладают фотостабильностью на протяжении нескольких лет, высокой стойкостью к выцветанию, чистотой цвета и устойчивостью к химической деградации. Эти свойства квантовых точек позволяют использовать их для защиты товаров и документов от подделок. В ювелирной, фармацевтической и изобразительной отраслях можно использовать цветную маркировку на основе квантовых точек. Они могут быть использованы для защиты документов, таких как сертификаты, дипломы, ценные бумаги, товарные знаки, банкноты, свидетельства и прочее.
Те же люминесцентные свойства квантовых точек делают возможным их использование в биомедицине. Там их применяют в качестве биомаркера: из-за своих крайне малых размеров точки способны беспрепятственно проникать в клетки и окрашивать различные их части в разные цвета. Это полезно для диагностики опасных заболеваний, например раковых опухолей. Квантовые точки используют в фотодинамической терапии — методе лечения множества заболеваний, включая рак, с помощью световых волн определенной длины. Точки используются в этом методе для поглощения света и преобразования его в энергию, которая затем (при вступлении в реакцию с дополнительными агентами) используется для уничтожения опухоли.
Квантовые компьютеры и криптография
Квантовые компьютеры — ещё одна сфера, где квантовые точки могут оказаться незаменимы благодаря своим свойствам. Поскольку состоянием и свойствами точек относительно легко управлять, они рассматриваются учёными в качестве кандидатов на роль квантовой ячейки памяти — одного из базовых элементов для компьютеров следующего поколения.
Возможность создавать квантовые точки, способные испускать фотоны на большие расстояния, делают технологию подходящей для применения в квантовой криптографии. Конкретнее это может пригодиться для реализации функции распределения квантовых ключей — когда две стороны, общаясь по открытому каналу связи, могут создать случайный ключ, известный только им двоим, и использовать его для зашифрованного обмена данными. Вот, к примеру, схема работы протокола квантового шифрования T-12:
В квантовом мире, если какой-либо его объект подвергается попытке наблюдения, состояние этого объекта тут же меняется. В шифровании это свойство помогает общающимся агентам понять, что кто-то третий пытается взаимодействовать с защищённым каналом связи, и не допустить перехвата данных. Ключ распределяется за счет передачи одной стороной в адрес другой одиночных фотонов определённой поляризации. Для устойчивого соединения нужно, чтобы передающая сторона могла излучать большое количество одиночных фотонов одинаковой поляризации.
Квантовые точки в этом смысле идеально подошли на роль таких излучателей. Первые экспериментальные системы на квантовых точках появились еще в начале двухтысячных. В 2021 году исследователи из национальной лаборатории Лос-Аламоса создали новый класс квантовых точек, способных испускать чистые одиночные фотоны. В отличие от других источников излучения, новые квантовые точки умеют излучать в обычных условиях окружающей среды — например, при комнатной температуре, что делает их более универсальными, а значит, и более доступными в использовании.
Вот так из экспериментов с разноцветным стеклом квантовые точки выросли в продвинутую технологию, которая активно проникает во многие сферы нашей повседневной жизни. Она является характерным примером использования «странных» свойств квантового мира в привычном нам макромире. Характерным, но не единственным: многие компании сейчас активно инвестируют в перспективные квантовые технологии. Например, «Газпромбанк» уже более десяти лет инвестирует в перспективные технологии, включая квантовые. Мы были первыми, кто протестировал средства квантовой криптографии и внедрил постквантовую криптографию в каналы обмена связи. А сейчас финансируем разработку системы квантовой спутниковой связи.
Биомедицина — ещё одна область инвестиций. Мы создаем биомедицинский центр, который займётся разработкой системы адресной доставки лекарств (созданием наноконтейнеров, которые могут доставить лекарственный препарат с точностью до клетки). Кроме того, «Газпромбанк» инвестирует в разработку сверхчувствительных сенсоров для глубоких исследований мозга — это ещё одна инновация, опирающаяся на квантовые технологии.
Как и квантовые точки, эти технологии пока ещё находятся в ранней стадии исследования, но в будущем они существенно улучшат жизни людей. И будущее это не так далеко, как может показаться на первый взгляд.
