Нобелевскую премию по химии присудили за квантовые точки. В числе лауреатов ― ученый, долгое время работавший в Петербурге

Как отмечается в официальном пресс-релизе Нобелевского комитета, премия присуждена за «открытие и синтез квантовых точек — наночастиц, которые настолько малы, что их размер определяет их свойства». 

Особенность квантовых точек в том, что из-за небольших размеров наночастиц в точке могут возникать квантовые эффекты. В свою очередь, квантовые эффекты влияют на оптические свойства всей точки. Например, к таким свойствам относится оптическое поглощение и излучение, окислительно-восстановительный потенциал (он влияет на способность химического вещества присоединять электроны), температура плавления и фазовые переходы. Таким образом, регулируя размер, можно создавать квантовые точки с оптическими характеристиками, например подходящими для дисплеев мониторов и биосенсоров для диагностики заболеваний.

Первым квантовые точки из хлорида меди синтезировал в стеклянной матрице Алексей Екимов в 1981 году. На тот момент он работал в Государственном оптическом институте имени Вавилова в Петербурге. Ученый обнаружил, что в зависимости от размера получившихся частиц, стекло поглощало свет с разной длиной волны.

Примерно в то же время Луи Брюс доказал размерно-зависимые квантовые эффекты в наночастицах, свободно плавающих в жидкости, а в 1993 году Мунги Бавенди, как отметили в Нобелевском комитете, «совершил революцию в химическом производстве квантовых точек, получив практически идеальные частицы», которые можно было использовать в прикладных задачах.

Профессор международного научно-образовательного центра физики наноструктур ИТМО Александр Баранов хорошо знаком с работами Алексея Екимова в ГОИ Вавилова в Петербурге. Он подчеркнул, что ключевую роль в создании первых квантовых точек также сыграли теоретические и экспериментальные работы советских и российских физиков Алексея и Александра Эфросов, а также Алексея Онущенко. Онущенко вместе с Екимовым синтезировал первые квантовые точки на базе соединений меди и хлора и стал соавтором его ключевой работы. Братья Эфрос, в свою очередь, подготовили теоретические изыскания, на которых впоследствии были основаны эти эксперименты.

«Я считаю, что давно было пора вручить Алексею Екимову Нобелевскую премию. В начале 2000-х его работа конкурировала с исследованиями другого физика — Жореса Ивановича Алферова, и Нобелевскую премию присудили последнему. Только через 20 лет наши коллеги из Ленинграда получили Нобелевскую премию, тем не менее я очень доволен», — рассказал профессор международного научно-образовательного центра физики наноструктур ИТМО Александр Баранов.

Сейчас квантовые точки используются в множестве направлений. Их применяют в производстве светодиодных ламп, компьютерных мониторов и QLED-телевизоров, а биохимики и врачи используют их для люминесцентного картирования биологических тканей.

Исследованиями, связанными с квантовыми точками, в настоящее время активно занимаются ученые ИТМО. Как рассказала ведущий научный сотрудник центра «Информационные оптические технологии» ИТМО Елена Ушакова, исследователи университета придумывают способы, как получить сверхтонкие коллоидные полупроводниковые нанопластины из халькогенидов свинца, а также исследуют их оптические свойства в ближнем инфракрасном диапазоне спектра. Такие нанопластины перспективны для фотоприемников и источников света в ближнем инфракрасном диапазоне спектра.

Помимо этого, ученые ИТМО занимаются синтезом аллоидных наночастиц с химическим составом AgInS, CuInS и другими. Такие частицы интересны тем, что обладают широкой полосой фотолюминесценции, положением которой можно управлять во всем видимом диапазоне. Также они не содержат тяжелых металлов в отличие от классических квантовых точек на основе кадмия. Поэтому их можно применять в качестве люминесцентных меток в биологии и сенсорике. Также на основе квантовых точек можно создавать композиты для тераностики, например для генерации активных форм кислорода. Такие композиты перспективны для лечения опухолей.

Ученые ИТМО продолжают исследования Алексея Екимова, которые он начал в 1980-х годах, — синтезируют квантовые точки в стекле. Сейчас этим направлением в ИТМО занимается группа ученых под руководством профессора научно-образовательного центра фотоники и оптоинформатики Николая Никонорова. Как и Александр Баранов, Николай Никоноров работал в ГОИ Вавилова в одно время с Алексеем Екимовым и в своих научных работах использовал модели, которые предложил Нобелевский лауреат.

«Прежде всего мы используем квантовые точки в стекле в качестве люминофоров и цветных фильтров, которые в зависимости от их размера позволяют управлять поглощением излучения и люминесценцией в широком спектральном диапазоне. Это достигается за счет квантово-размерного эффекта. Когда квантовая точка синтезирована в объеме стекла, она защищена стеклом от внешних воздействий, в первую очередь от атмосферы. Другими словами, мы получаем "вечный" люминофор или цветной фильтр. Квантовые точки в стекле можно использовать в сочетании со светодиодами в индустрии дисплеев, освещении и агротехнологиях. Так, например, можно создать люминофоры с определенным сочетанием цветов, которые благоприятно влияют на рост растений», — рассказал Николай Никоноров.

По словам Александра Баранова, сейчас особенно актуально направление, связанное с хиральными квантовыми точками. Их структура обладает особой симметрией, которая свойственна многим биологическим объектам. Потенциально хиральность квантовых точек поможет увеличить эффективность действия, например антибиотиков, при лечении ряда заболеваний.

«Другое перспективное направление — создание гибридных структур на основе квантовых точек с другими наночастицами или органическими молекулами с отличающимися функциональными свойствами. Тогда можно будет получить новые материалы с новыми уникальными свойствами, которые потенциально будут полезны в терапии и диагностике социально значимых заболеваний, в том числе онкозаболеваний», — отметил Александр Баранов.