Раньше я упрямо верил, что соединения с идентичным химическим составом будут проявлять одинаковые свойства. Это убеждение было разрушено Нобелевской премией по химии 2023 года, присужденной за открытие и синтез квантовых точек. Когда материя сжимается до масштабов квантовых точек, возникают определенные квантовые эффекты, то есть ее свойства зависят не только от ее элементного состава, но и в решающей степени от ее размера.
Квантовые точки добавили в периодическую таблицу новое измерение: размер.
Эта основная концепция показывает, что одно и то же вещество, просто изменяя свой размер, может проявлять радикально разные свойства. Идентичный материал, разные размеры –, излучающий свет разного цвета, обладающий принципиально разными характеристиками.
Проще говоря, квантовые точки — это кластеры атомов и молекул на наноуровне. Они состоят всего от нескольких сотен до нескольких тысяч атомов, а их размер колеблется от 2 до 10 нанометров. Когда они поглощают свет, они флуоресцируют, излучая свет разных цветов в зависимости от своего размера.
Почему размер имеет значение?
Оптические свойства материала определяются его электронами. Когда электроны поглощают фотоны, они переходят в более высокие энергетические состояния. Следовательно, сдвиг длины волны поглощенного света означает соответствующие изменения в других управляемых электронами свойствах, таких как каталитическая активность и электропроводность. По сути, изменение только размера превращает квантовую точку в принципиально новый материал с особыми свойствами. Если вы можете изменить цвет материала с помощью управления размером, вы фактически создали новый материал.
Что могут квантовые точки?
Сегодня их наиболее заметное применение, несомненно, приходится на технологию отображения. Квантовые точки обладают узким спектром излучения, что обеспечивает исключительно яркие и чистые цвета. Они также излучают свет с минимальными потерями энергии, что значительно продлевает срок службы дисплея. Помимо дисплеев, они служат флуоресцентными зондами для точного хирургического руководства и целевой доставки лекарств, повышают эффективность фотоэлектрического преобразования в солнечных элементах, действуют как катализаторы для запуска химических реакций и обладают потенциалом для квантовых вычислений и безопасной квантовой связи.
В этих крошечных пятнышках заключена огромная научная привлекательность. Квантовые точки раскрыли секрет преобразования цвета материалов и открыли ворота в огромный мир наноматериалов.
Как создаются квантовые точки?
Первичные методы синтеза включают физические, химические и биологические подходы, при этом химический синтез является доминирующим. В работе Бавенди, получившей Нобелевскую премию, использовался химический метод: «горячая инъекция» в неполярный органический растворитель с высокой температурой кипения (который также действует как лиганд). Это позволяет создавать коллоидные квантовые точки с высокой кристалличностью, равномерным распределением размеров и регулируемыми размерами в широком диапазоне.
Однако первоначальный предшественник, диметилкадмий (Cd(CH₃)₂), был высокотоксичным, взрывоопасным, дорогим и требовал жестких условий реакции.
Сегодня материалы с квантовыми точками применяются в коммерческих целях, а зеленый синтез является основным направлением исследований. В настоящее время наиболее перспективным подходом является «безинъекционный» метод. При этом используются прекурсоры, такие как элементы группы II-VI (например, CdS, CdSe, CdTe, ZnSe) или элементы группы III-V (например, InP, InAs), синтезированные в системе 1-октадецена (ОДЭ, некоординирующий растворитель) и олеиновой кислоты (ОА, лиганд). 1-октадецен с его низкой температурой плавления и низкой стоимостью в настоящее время является основным растворителем для синтеза квантовых точек.
