כאשר החלקיקים הם בקוטר של מספר ננומטרים בלבד, החלל שנותר לאלקטרונים מתכווץ. תוצא זה משפיע על התכונות האופטיות של החלקיק, כמו הצבע שהוא פולט – עם שינוי הגודל מתרחש גם שינוי בצבע. נעשה בהם שימוש נרחב במסכי LED ובדימות רפואי
פרס נובל לשנת 2023 בכימיה הוענק לשלושה חוקרים: מונגי בוונדי (Moungi Bawendi), לואיס ברוס (Louis Brus) וכן אלכסיי אקימוב (Alexei Ekimov) עבור "התגלית והסינתזה של נקודות קוונטיות".
באופן בלתי תלוי, אקימוב וברוס הצליחו ליצור נקודות קוונטיות, והזוכה השלישי הביא לפריצת דרך בייצור הכימי שלהן.
כיום נקודות קוונטיות, שהן ננו-חלקיקים זעירים, שהגודל שלהן קובע את התכונות שלהן, מאירות צגי מחשב ומסכי טלוויזיה כאשר אלו ומתבססים על טכנולוגיה של QLED. בתחום הרפואה, משתמשים כיום בנקודות קוונטיות לשם מיפוי של רקמות ביולוגיות.
כל מי שלומד כימיה יודע כי התכונות של היסודות נקבעות על ידי מספר ומיקום האלקטרונים שבגרעין האטום. אולם, כאשר החומר מתכווץ למימד ננומטרי, מתחילה לצוץ תופעה קוונטית; תכונות אלו נשלטות על ידי הגודל של החומר. חתני פרס הנובל לכימיה לשנת 2023 הצליחו בייצור חלקיקים כה קטנים שהתכונות שלהם נקבעות על ידי תופעות קוונטיות. החלקיקים הללו, הנקראים בשם נקודות קוונטיות, הם בעלי חשיבות מרובה בתחום הננוטכנולוגיה.
"לנקודות קוונטיות יש תכונות מרתקות ובלתי רגילות. התכונה החשובה ביותר שלהן היא שהן בעלות צבעים שונים כתלות בגודל שלהן", אומר יושב ראש ועדת הנובל לכימיה. פיזיקאים ידעו מזה זמן רב כי בתיאוריה השפעות קוונטיות תלויות גודל עשויות לצוץ בננו-חלקיקים, אולם בעבר היה כמעט בלתי אפשרי לייצר במעבדה ננו-חלקיקים בגודל זעיר. לפיכך, רק מעט חוקרים האמינו כי ניתן לממש את הרעיון הזה.
אולם, בתחילת שנות השמונים של המאה הקודמת, אלכסיי אקימוב (Alexei Ekimov) הצליח ליצור השפעות קוונטיות תלויות גודל בזכוכית צבעונית. הצבע הגיע מתוך ננו-חלקיקים של נחושת כלוריד, ואקימוב הדגים כיצד הגודל של החלקיק השפיע על הצבע על הזכוכית דרך תוצא קוונטי.
השפעות קוונטיות צצות כאשר החלקיקים מתכווצים
כאשר החלקיקים הם בקוטר של מספר ננומטרים בלבד, החלל שנותר לאלקטרונים מתכווץ. תוצא זה משפיע על התכונות האופטיות של החלקיק, כמו הצבע שהוא פולט – עם שינוי הגודל מתרחש גם שינוי בצבע.
מספר שנים מאוחר יותר, החוקר לואיס ברוס (Louis Brus) היה הראשון בעולם להדגים השפעות קוונטיות תלויות גודל בחלקיקים הצפים בחופשיות בנוזל.
בשנת 1993, החוקר מונגי בוונדי (Moungi Bawendi) הביא למהפכה בתחום הייצור הכימי של נקודות קוונטיות, כאשר השיטה שלו הולידה כמעט חלקיקים מושלמים מבחינת המבנה שלהם. איכות גבוהה זו של התוצר המוגמר נדרשה על מנת להשתמש בהן ביישומים מתקדמים וחשובים.
כיום, נקודות קוונטיות מאירות צגי מחשב ומסכי טלוויזיה המבוססים על טכנולוגיית QLED. הן גם מוסיפות גוונים לאור הנפלט מנורות LED, ואף משמשות ביוכימאים ורופאים למפות רקמות ביולוגיות ולקבל תמונות חדות יותר.
על שום כך, נקודות קוונטיות מספקות את התועלת הגדולה ביותר לאנושות. חוקרים סבורים כי בעתיד חומרים אלו יוכלו לתרום עוד ביישומים של רכיבי אלקטרוניקה גמישים ומתקפלים (כמו אביזרים לבישים), גלאים זעירים, תאים סולאריים קטנים יותר ותקשורת קוונטית מוצפנת – כך שהאנושות רק התחילה לגלות את היכולת של חלקיקים זעירים אלו.
אודות הזוכים
מונגי בוונדי (Moungi Bawendi) נולד בשנת 1961 בפריז, צרפת. הוא קיבל את תואר הדוקטור שלו בשנת 1988 מאוניברסיטת שיקגו, אילינוי, ארה"ב.כיום הוא משמש כפרופסור במכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס (MIT), בקיימברידג', מסצ'וסטס, ארה"ב.
לואיס ברוס (Louis Brus) נולד בשנת 1943 בקליבלנד, אוהיו, ארה"ב.הוא קיבל את תואר הדוקטור שלו בשנת 1969 מאוניברסיטת קולומביה, ניו-יורק, ארה"ב.כיום הוא משמש כפרופסור באוניברסיטת קולומביה, ניו-יורק, ארה"ב.
אלכסיי אקימוב (Alexei Ekimov) נולד בשנת 1945 בבריה"מ לשעבר. הוא קיבל את תואר הדוקטור שלו בשנת 1974 מIoffe Physical-Technical Institute- , סנט-פטרסבורג, רוסיה. לשעבר מדען ראשי בתאגיד Nanocrystals Technology Inc., ניו-יורק, ארה"ב.
