Ученые оценили значение открытия нобелевского лауреата по химии из России
Открытие и синтез квантовых точек, за которые ученый Алексей Екимов и его коллеги из США получили Нобелевскую премию по химии в этом году, — очень перспективная работа, которая может применяться в различных сферах, в том числе в квантовых компьютерах, сообщили опрошенные РБК ученые.
Что такое квантовые точки
Квантовые точки — наночастицы-полупроводники, электрические характеристики которых зависят от их размера и формы. Квантовую точку можно рассматривать как «искусственный атом», лишенный ядра. При этом число электронов такого «атома» можно менять, изменяя условия роста квантовых точек или же с помощью внешних электромагнитных полей.
Электроны в свою очередь могут переходить с одной орбиты на другую при условии поглощения или излучения энергии. Во втором случае, когда электрон излучает энергию, он переходит на более низкий энергетический уровень. Энергия излучается в виде света определенной длины волны. Размер квантовой точки же можно регулировать, то есть можно изменять и энергию испускаемого фотона, следовательно, можно менять цвет испускаемого квантовой точкой света.
Помимо дисплеев квантовые точки используются в медицине: они могут проникать в разные типы клеток и окрашивать их в разные цвета. К примеру, так можно маркировать опухоли.
Само открытие Екимов сделал еще в 1980-х, когда работал в Государственном оптическом институте имени Вавилова в Ленинграде. Он первый получил в стеклянной матрице квантовые точки из хлорида меди и показал, что размер этих частиц влияет на цвет стекла.
«Его работа оказалась хронологически первой в ряду аналогичных открытий. Оказалось, что в зависимости от размеров полупроводниковых частиц меняются их спектроскопические свойства, поглощение, отражение», — отметил в разговоре с РБК заведующий лабораторией «Квантовая инженерия света» ЮУрГУ, доктор физико-математических наук Сергей Кулик.
По его словам, квантовые точки можно создавать не только в стеклянных матрицах, но и в растворах, взвесях, суспензиях. Впоследствии технология развивалась, точки стали специально выращивать, формируя вокруг них особым образом материал — резонатор, коллимирующий (направляющий) излученный свет в нужном направлении, сказал Кулик.
«Новая эра в квантовых технологиях»
Исследование Екимова Кулик назвал «очень перспективным в разных областях науки и техники». «Материал действительно открывает новую эру в квантовых технологиях», — отметил ученый.
Он пояснил, что квантовая точка «по нажатию кнопки» может генерировать фотоны — элементарные частицы, квант электромагнитного излучения (в узком смысле — света). «В качестве кнопки может выступать электрический или оптический импульс. Мы возбуждаем квантовые точки оптически. Излученные таким образом, «по нажатию кнопки», фотоны называются детерминистическими. Их можно использовать в протоколах квантовой связи и квантовых вычислений», — сказал Кулик.
Особенно перспективным является использование квантовых точек для представления кубитов в квантовых компьютерах, отмечает доцент кафедры неорганической химии РТУ МИРЭА, кандидат химических наук Андрей Дорохов. Кубит — наименьшая единица информации в квантовом компьютере, по аналогии с битом в обычном компьютере.
«Создание такого рода устройств на квантовых точках позволит во много раз увеличить производительность компьютеров (скорость вычислений) и емкость устройств для хранения информации. Если, конечно, все это будет реализовано на практике», — отмечает Дорохов.
Дисплеи на квантовых точках
По его словам, по электрическим и оптическим свойствам квантовые точки, которые по сути являются наноразмерными полупроводниками, занимают промежуточное положение между объемными полупроводниками (обычные транзисторы) и отдельными молекулами.
«Уже сейчас квантовые точки, способные испускать свет разной длины волны (то есть разного цвета), используются в качестве люминесцентных маркеров в люминесцентной микроскопии для визуализации клеток и их отдельных частей, в качестве биомаркеров опухолей или антител. Также они находят все более широкое применение в электронике», — говорит ученый.
К примеру, уже созданы дисплеи и ЖК-панели на квантовых точках, заменяющих обычные светодиоды. «Компания Nexxus Lighting в 2009 году выпустила светодиодную лампу с использованием квантовых точек. Также перспективным является их применение в полевых транзисторах, фотоэлементах, LED, лазерных диодах, солнечных батареях», — отмечает Дорохов.
О том, что квантовые точки можно использовать для создания дисплеев, говорит и заведующий лабораторией функциональных элементоорганических соединений Института элементоорганических соединений им. А.Н. Несмеянова РАН Дмитрий Перекалин. «Существует много разных вариаций — есть OLED-дисплей, там вещества, излучающие цвет, имеют разные химические составы, именно поэтому излучают разный цвет. Тут можно сделать то же самое, имея одинаковый состав, но при этом используя разный размер частиц. Дисплей на квантовых точках существует, насколько я знаю», — сказал Перекалин.
Среди плюсов использования квантовых точек Перекалин отметил их долговечность. «Очень часто, когда что-то цвет излучает, со временем портится. Краски на одежде, например, выцветают. Квантовые точки гораздо меньше подвержены деградации, срок службы у них существенно дольше», — говорит ученый.
Квантовые точки в диагностике опухолей
Флуоресцентность квантовых точек используется и в медицине, отметила врач-эксперт лаборатории «Гемотест» Нина Зубова. «Квантовые точки — это флуоресцентные полупроводниковые нанокристаллы, которые получают из неорганических полупроводниковых материалов: кремния, селенида кадмия, фосфида индия, арсенида индия и т.п. Одно из свойств квантовых точек — флюоресцентность. Нанокристаллы в зависимости от размера проникают сквозь биологические мембраны по-разному, размер определяет цвет флуоресценции — таким образом, различные области биологического организма окрашиваются по-разному», — говорит она.
По словам Зубовой, на поверхности нанокристаллов присутствуют распознающие молекулы, которые адресно могут окрашивать нужный объект, например опухоль, определенным цветом. «Ученые решили использовать эту характеристику квантовых точек в медицине: ввели нанокристаллы подопытным мышам в опухоль. Частицы накапливались в сосудах опухоли и светили определенным цветом — благодаря этому за новообразованием было легко следить, оно существенно выделялось на фоне окружающих тканей», — пояснила врач.
Но хотя для животных квантовые точки оказались нетоксичными, об экспериментах на людях говорить пока рано, отмечает она. «Тем не менее идея применения квантовых точек для диагностики и лечения рака весьма перспективна, и в будущем можно ожидать научных открытий в данном направлении», — считает Зубова.
История открытия
Нобелевскую премию по химии Екимову, а также ученым Мунги Бавенди и Луису Брюсу присудили 4 октября. Все трое работают в США. Первым квантовые точки синтезировал Екимов, через несколько лет Брюс получил первый раствор с ними, а Бавенди в 1993-м разработал удобный способ синтеза раствора этих точек нужного размера.
Екимов в 1967 году окончил Ленинградский государственный университет, в 1989 году защитил диссертацию и получил степень доктора физико-математических наук. С 1999 года работает в США в компании Nanocrystals Technology.
Российский физик, бывший коллега и основной соавтор Екимова Алексей Онущенко заявил в разговоре с РБК, что работа по квантовым точкам не была бы выполнена, если бы не было точных измерений и характеристик, исследованных в российском институте. «Успеху работ по исследованию размерных эффектов в оптических спектрах полупроводниковых микрокристаллов [квантовых точек], выращенных в стекле, в значительной степени содействовало базовое полупроводниковое образование основных исполнителей на кафедре Евгения Федоровича Гросса, физическом факультете ЛГУ, а также наличие большого технологического задела в разработке стеклокристаллических материалов в Государственном оптическом институте», — отметил Онущенко.
Важную роль также сыграла рентгеноструктурная характеризация образцов, выполненная в Институте химии силикатов им. И.В. Гребенщикова РАН, продолжил он. «Сотрудник института Валерий Викторович Голубков измерял методом малоуглового рентгеновского рассеяния размер кристаллических частиц, которые выделяются в объеме стеклообразной матрицы при формировании стеклокристаллического материала», — отметил ученый.
Физик рассказал, что в конце 1970-х под руководством Екимова начались работы по изучению спектрально-оптических характеристик разнообразных стеклокристалических материалов. «Первоначально нам принесли образцы галоидомедных фотохромных стекол, мы там увидели типичные спектры экситонного поглощения кристаллов CuCl, потом стало понятно, что спектры существенно зависят от условий приготовления образцов — температуры, времени, термообработки стекол. Я готовил определенные изотермические ряды», — рассказывает Онущенко.
Затем ученые методом малоуглового рентгеновского рассеяния измеряли нанообразования в стекле. «Когда мы сопоставили то, что видим по оптике, с данными рентгеноструктурного метода, тогда и получили работы по квантовому размерному эффекту», — сказал физик.
Итоговая работа была опубликована в журнале «Письма в ЖЭТФ» в 1981 году. Онущенко отметил, что большую роль в исследовании и понимании физики квантовых точек сыграл российский и американский физик Александр Эфрос. В 2014 году Екимов, Брюс и Александр Эфрос подавали совместную работу по данной теории. «Тогда Александр Эфрос должен был быть третьим лауреатом», — рассказал Онущенко.
До Екимова единственным ученым из СССР или России, получившим Нобелевскую премию по химии, был Николай Семенов. Он удостоился награды в 1956 году «за исследования в области механизма химических реакций».