Нобелевская премия по химии в 2023 году присуждена Мунги Бавенди, Луису Брюсу и Алексею Екимову за открытие и синтез «квантовых точек». По этому поводу руководитель отдела научной экспертизы Политехнического музея Алексей Бутырин взял интервью у доцента кафедры неорганической химии и профессора кафедры наноматериалов МГУ имени М.В. Ломоносова Романа Васильева.

Роман Борисович, начнём с определения. Что такое квантовые точки?

Одно из определений — это нанометровые частицы полупроводников, в которых проявляются размерные эффекты: их свойства зависят от размера. Эти эффекты работают только в тех материалах, где есть так называемая «запрещённая зона». Скажем, в металлах электроны движутся свободно, а в полупроводниках все электроны связаны. Но если попадает фотон — квант света, — электрон становится свободным, одновременно появляется пустое положительно заряженное место.

Алексей Екимов разработал метод получения кристаллов нанометровых размеров в Государственном оптическом институте ещё в 1980-х. Но практическое применение этой технологии нашли только сейчас. Почему?

У исследований полупроводниковых наноструктур долгая история, отмеченная несколькими Нобелевскими премиями. Лео Эсаки в 1973 году получил премию за получение полупроводниковых гетероструктур специальными методами. Жорес Алфёров был номинирован за полупроводниковые гетероструктуры, в которых тоже проявлялись размерные свойства.

Сейчас премия вручена скорее за технологию получения квантовых точек. Это премия по химии, а не физике, как раньше. Луис Брюс предложил важное усовершенствование — рост в органических растворителях. Так квантовые точки можно выделить, очистить, модифицировать дальше. Бавенди присоединился позже, но во многом именно благодаря его работам у учёных возник большой интерес к этим технологиям.

По методу Екимова делали стеклянные светофильтры, но я не слышал об их широком применении. Что касается метода Брюса и Бавенди, то поначалу это было просто красиво, всё светилось разными цветами. Потом на основе квантовых точек стали пытаться делать фотодетекторы, солнечные батареи, одночастичные транзисторы. Теперь они широко применяются в дисплейных технологиях.

В современных дисплеях квантовые точки используются только в системе подсветки, а непосредственно изображение формирует ЖК-матрица. Когда появятся полностью активные матрицы, где сами квантовые точки будут формировать изображение?

Ещё в 2010 году компания Samsung представила дисплей, где каждый квантовый пиксель возбуждался при пропускании через него электрического тока. Пока эта технология недоработана, но со временем, думаю, мы получим дисплеи с активными матрицами на квантовых точках — и такие, которые можно будет раскатывать как рулончик. Активная матрица более энергоэффективна, и с точки зрения цветности и контрастности она лучше. Ведь в одном случае вы вырезаете из светового потока нужные вам кванты, а здесь вы только их и генерируете.

Как именно получают наночастицы требуемого размера?

Екимов работал с шихтой, однородной массой для получения стекла. Добавлял полупроводник, делал расплав, медленно охлаждал его. Полупроводник, как и любое вещество, при охлаждении выкристаллизовывается из раствора или расплава. Получались мелкие частицы. Но когда расплав застывал, выделить эти частицы из общей массы и пропустить через них электрический ток было нельзя.

Брюс использовал растворители на основе сложных органических молекул, нагревая их до температуры около 300°C. Туда добавлял прекурсоры, в ходе реакции которых и получался полупроводник. Органические молекулы присоединялись к его поверхности и контролировали рост, форму, направление.

Если у Екимова большим кристаллам вырасти не давало стекло, у Брюса за это отвечали органические молекулы. В этом революционность его идеи. И это сложная технология. Хотя на химфаке МГУ мы метод Брюса освоили и научились делать все частицы одинаковыми — скажем, размером 2 нанометра.

В одной из своих работ Екимов говорил, что нанокристаллы подобны искусственным атомам. Что он имел в виду?

У квантовой точки — одиночные, дискретные уровни энергии. В объёмном полупроводнике мы можем менять энергии монотонно, непрерывно. Но квантовая точка — это не трёхмерный, а, так сказать, нольмерный объект. Электрон не может двигаться, находясь в квантовой точке. Это стоячая волна. Электрон, если мы помещаем его в потенциальную яму, согласно квантовой механике может принимать только строго определённые значения энергии. Вот это и есть уровни квантовой точки.

Второй смысл такой: искусственное — это то, что подчиняется нам. Мы можем менять уровни энергии, как нам захочется. У обычных атомов энергетические уровни заданы природой, и сдвинуть их, идти против атома — сложно. А в случае с квантовыми точками это очень просто: мы меняем размер квантовой ямы, и уровни монотонно двигаются. Мы можем наделать квантовых точек любых размеров, и они покроют нам весь спектр, от синего до красного. Можно сделать гирлянду для новогодней ёлки.

С точки зрения физики это не атом. В атоме всё определяется электростатической энергией, а здесь у нас ограничения пространственные. Но в рамках определённых задач мы можем считать, что эта искусственная система ведёт себя как атом.

Как будто бы у нас была возможность создать новый химический элемент с нужными нам свойствами?

Да. Вспомните неоновую рекламу, наполненные газом трубки. Если нам нужно, скажем, зелёное свечение, мы берём один газ. Красное — другой. Всё определяется уровнями энергий. А здесь мы можем взять один материал и получать от него какое угодно свечение.

На основе квантовых точек можно создать так называемые квантовые холодильники. Что это и как их можно применять?

Это система на основе квантовых точек, которую можно охлаждать подсветкой. Но для её создания нужна очень высокая, практически стопроцентная эффективность люминесценции. И я назвал бы её не квантовым, а оптическим холодильником. Конечно, идея красивая: нанесли куда-то квантовые точки, подсветили их, и температура упала. Но это работает только в каких-то очень маленьких системах — например, внутри микропроцессоров.

Квантовые точки уже используют в медицине — для картирования биологических тканей. Расскажите как.

У квантовых точек очень стабильная люминесценция. Они не выгорают при длительном воздействии света, как органические красители. Скажем, в телевизорах они непрерывно бомбардируются фотонами, и ничего с ними не происходит.

И они стабильны по отношению к среде. Если вы возьмёте краситель на основе органической молекулы, он будет по-разному себя вести в зависимости от того, в каком растворе он находится, может даже разрушиться. А квантовая точка стабильна. Её можно защитить специальной оболочкой, а к ней очень легко пришить антитело: оно будет прилипать к опухоли, помечая её. Хирургу будет проще работать, удаляя все светящиеся области.

Как ещё можно применять квантовые точки в будущем?

На них можно сделать квантовый компьютер, такие эксперименты уже проводят. Ведь это маленький кусочек полупроводника, куда мы можем поместить электрон, и он будет в определённой степени изолирован.

Развиваются и сами квантовые точки. Теперь мы делаем квантовые ямы, это уже двухмерный кусочек полупроводника. Его толщина — всего 5 атомов. Мы фактически получаем возможность манипулировать материей с точностью в один атом. Это интригующая технология — когда вы в обычной колбе создаёте структуры, в которые можете добавлять ровно по одному атому.

Также новая технология позволяет делать наномасштабные лазеры. На самих квантовых точках это сложно, есть определённые фундаментальные ограничения. Хотя многие пытаются, например, Виктор Климов из Лос-Аламоса.

Или ещё одно применение. У нас есть 5 атомов полупроводника в виде плоскости. Добавим туда органические молекулы-энантиомеры. Энантиомерами называют объекты, представляющие собой зеркальные отражения друг друга, не совмещаемые в пространстве. Если добавить молекулы той или иной ориентации, у нас полупроводник станет правым или левым. И он будет взаимодействовать только с право- или только с левополяризованными фотонами. Это путь к квантовым коммуникациям, к новым типам 3D-телевизоров.

С использованием квантовых точек и квантовых ям можно будет создавать гибриды органики и полупроводников с интересными свойствами.

В общем, учёным определённо есть куда идти дальше. Те, кто получил Нобелевскую премию, заложили фундаментальный базис. Но это только начало.

Квантовые точки и Нобелевская премия Алексея Екимова