"ქიმიის უწყებანი" ტომი:6, ნომერი:1, 42-45 გვ.
კვანტური წერტილების წარსული და მომავალი: როგორ აღმოაჩინეს და რა გამოყენებები შეიძლება მოვუძებნოთ
თბილისის თავისუფალი უნივერსიტეტი
რეზიუმე: 2023 წელს ნობელის პრემია ქიმიაში სამ მეცნიერს, ალექსეი ეკიმოვს, ლუის ბრუსსა და მაუნგი ბავენდის, გადაეცათ კვანტური წერტილების აღმოჩენისა და განვითარებისათვის. კვანტური წერტილები არის ნანოზომის მასალები, რომლებიც უნიკალურ ოპტიკურ და ელექტრონულ თვისებებს ავლენენ. მათ შეუძლიათ ელექტრონების ტრანსპორტირება და ასხივებენ სხვადასხვა ფერის შუქს ულტრაიისფერი სხივების ზემოქმედებისას. „დიდი ხნის განმავლობაში, არავის ეგონა, რომ შეიძლებოდა ასეთი მცირე ნაწილაკების მიღება, როგორიც კვანტური წერტილებია“, ამბობს ნობელის კომიტეტის წევრი, იოჰან აქვისტი. კვანტური წერტილების ზომა იმდენად პატარა და ამავდროულად გასაოცარია, რომ შედარებისთვის შეგვიძლია ავიღოთ კვანტური წერტილი და ფეხბურთის ბურთი, მათ ზომებში სხვაობა იგივეა, რაც ფეხბურთის ბურთისა და დედამიწის ზომებს შორის განსხვავება. კვანტური წერტილები კაცობრიობას მრავალ სიახლეს სთავაზობს, რომელიც ცხოვრების ხარისხს საგრძნობლად განავითარებს და დიდი გავლენა ექნება ადამიანის ყოველდღიურობაზე. რამდენიმე წელში უკვე გამოჩნდება ბაზარზე კვანტური წერტილებისგან დამზადებული პროდუქტები, ამ ხელოვნურად სინთეზირებულ ნახევარგამტარულ ნანონაწილაკებს აქვთ პოტენციური გამოყენების ფართო სპექტრი, მათ შორის გამოყენება მზის პანელებში, ფლუორესცენტურ ბიოლოგიურ მარკირებაში, განათებაში, მედიცინაში და ელექტროობაში. ამიტომ საჭიროა ვიცოდეთ თუ როგორ მოხდა მისი აღმოჩენა, შემგომ განვითარება და ბოლოს წარმოება, ასევე აუცილებელია გავიაზროთ, თუ როგორ შეძლებს კვანტური წერტილები ჩვენი ცხოვრების გაუმჯობესებას.
საკვანძო სიტყვები: კვანტური წერტილები, ნანომატერიალები, კვანტური ეფექტი, ენერგეტიკა, მედიცინა
2023 წელს ნობელის პრემია ქიმიაში სამ მეცნიერს, ალექსეი ეკიმოვს, ლუის ბრუსსა და მაუნგი ბავენდის, გადაეცათ კვანტური წერტილების აღმოჩენისა და განვითარებისათვის. კვანტური წერტილები არის ნანოზომის მასალები, რომლებიც უნიკალურ ოპტიკურ და ელექტრონულ თვისებებს ავლენენ. მათ შეუძლიათ ელექტრონების ტრანსპორტირება და ასხივებენ სხვადასხვა ფერის შუქს ულტრაიისფერი სხივების ზემოქმედებისას. „დიდი ხნის განმავლობაში, არავის ეგონა, რომ შეიძლებოდა ასეთი მცირე ნაწილაკების მიღება, როგორიც კვანტური წერტილებია“, ამბობს ნობელის კომიტეტის წევრი, იოჰან აქვისტი. კვანტური წერტილების ზომა იმდენად პატარა და ამავდროულად გასაოცარია, რომ შედარებისთვის შეგვიძლია ავიღოთ კვანტური წერტილი და ფეხბურთის ბურთი, მათ ზომებში სხვაობა იგივეა, რაც ფეხბურთის ბურთისა და დედამიწის ზომებს შორის განსხვავება [1]. კვანტური წერტილები კაცობრიობას მრავალ სიახლეს სთავაზობს, რომელიც ცხოვრების ხარისხს საგრძნობლად განავითარებს და დიდი გავლენა ექნება ადამიანის ყოველდღიურობაზე. რამდენიმე წელში უკვე გამოჩნდება ბაზარზე კვანტური წერტილებისგან დამზადებული პროდუქტები, ამ ხელოვნურად სინთეზირებულ ნახევარგამტარულ ნანონაწილაკებს აქვთ პოტენციური გამოყენების ფართო სპექტრი, მათ შორის გამოყენება მზის პანელებში, ფლუორესცენტურ ბიოლოგიურ მარკირებაში, განათებაში, მედიცინაში და ელექტროობაში. ამიტომ საჭიროა ვიცოდეთ თუ როგორ მოხდა მისი აღმოჩენა, შემგომ განვითარება და ბოლოს წარმოება, ასევე აუცილებელია გავიაზროთ, თუ როგორ შეძლებს კვანტური წერტილები ჩვენი ცხოვრების გაუმჯობესებას.
2013 წლის ნობელიენატები ქიმიაში (ფოტო [2])
თითოეული ლაურეატის წვლილი
როგორც ყველა დიდი გამოგონება, კვანტური წერტილებიც იყო ხანგძლივი პროცესი და მასში მრავალმა მეცნიერმა მიიღო წვლილი. ეს მეცნიერები, როგორც აღვნიშნე იყვნენ მაუნგი ბავენდი, რომელიც დაიბადა 1961 წელს საფრანგეთში, ამჟამად კი მასაჩუსეტის ტექნოლოგიური ინსტიტუტის პროფესორია, ლუის ბრუსი, დაბადებული 1943 წელს ამერიკაში, კოლუმბიის უნივერსიტეტის ყოფილი პროფესორი, და ალექსეი ეკიმოვი, დაბადებული 1945 წელს საბჭოთა კავშირში. 1970-იან წლებში ალექსეი ეკიმოვმა დაიწყო გამოკვლევა, თუ როგორ იცვლება ფერადი მინის ფერი, იმის მიხედვით, თუ რამდენი ხანი აცხელებენ მას [2]. ექსპერიმენტისათვის, ეკიმოვმა და მისმა გუნდმა გამოიყენეს მულტიკომპონენტიანი სილიკატის მინა, თავდაპირველი შემადგენლობა შეიცავდა სპილენძსა და ქლორს 1%იანი კონცენტრაციით. მან აღმოაჩინა, რომ გაცხელებისას, სპილენძის ქლორიდის კრისტალები ფორმირდებოდა მინაში, რაც უფრო პატარა იყო კრისტალი, მით უფრო ლურჯი ჩანდა მინა. მაღალ ტემპერატურებზე, აღგზნება-შთანთქმის სპექტრზე სპილენძის ქლორიდი ჩანს [3].
ნახაზი. მიკროსკოპული სპილენძის ქლორიდის კრისტალების საშუალო რადიუსის დამოკიდებულება დროსთან: 1- 550°C-ზე, 2-625°C-ზე [3].cla
პარალელურად ლუის ბრუსმა, ეკიმოვისგან დამოუკიდებლად, აღმოაჩინა იგივე ეფექტი კადმიუმის სულფიდის კრისტალების მეშვეობით. ლუის ბრუსი მუშაობდა მზის ენერგიის გამოყენებაზე რეაქციების საწარმოებლად. მას სჭირდებოდა ისეთი ნივთიერებები, რომლებიც ყველაზე კარგად შთანთქამდნენ მზის ენერგიას. ბრუსის ყურადღება მიიქცია კადმიუმის სულფიდმა, რომელიც გამოირჩეოდა სინათლის შთანთქმის უნარით. ექსპერიმენტების შედეგად იგი მივიდა ანალოგიურ დასკვნამდე, რომ რაც უფრო ამცირებდა ზომას აღებული მასალის და ზრდიდა ზედაპირის ფართობს, მით უფრო ახლოს მიდიოდა მიზანთან [4]. ბრუსის ეს ექსპერიმენტი იმითაც არის მნიშვნელოვანი, რომ ეს იყო პირველი ამ თემაზე თხევად ნივთიერებებში, ეკიმოვის ექსპერიმენტი მყარ სხეულებს აღწერდა.
ეს ექსპერიმენტები იყო პირველი დაკვირვება კვანტურ ეფექტებზე, დამოკიდებული მასალის ზომაზე და არა ელემენტების შემადგენლობაზე. ამ მნიშვნელოვანი აღმოჩენის კვალდაკვალ აუცილებელი იყო, ეს ეფექტი რეალური გამოყენებისათვის მოერგოთ. აღსანიშნავია, რომ ორივე მეცნიერი ეკიმოვი და ბრუსი ფიზიკოსები იყვნენ, ამიტომ ამ ყველაფრის სინთეზისა და წარმოებისათვის საჭირო იყო ქიმიკოსი.
1990-იან წლებში მაუნგი ბავენდი მიხვდა, თუ როგორ ეწარმოებინა კვანტური წერტილები შესანიშნავი ოპტიკური მახასიათებლით. ბავენდი აღწერს, რომ წარმოებისათვის აუცილებელი იყო დელიკატური კონტროლი მათი ზომისა და ზედაპირის ფართობის. ბავენდიმ შეიყვანა ნივთიერებები, რომლებსაც კადმიუმის სოლენადის ფორმირება შეეძლოთ ცხელ გამხსნელში. მოცულობა იმდენი იყო, რომ შეეძლო გამხსნელის გაჯერება. კადმიუმ სელენიდის პატარა კრისტალებმა მომენტალურად დაიწყეს ფორმირება, მაგრამ რადგანაც ნივთიერებების შეყვნამ გააცივა გამხსნელი კრისტალების ფორმირება შეწყდა. ამის შემდეგ ბავენდიმ გაზარდა ტემპერატურა გამხსნელის და კრისტალებმა ხელახლა დაიწყეს გაზრდა, რაც უფრო დიდხანს გაგრძელდა გაცხელების პროცესი, მით უფრო გაიზარდა კრისტალის ზომა [5].
როგორ აწარმოა მაუნგი ბავენდიმ კვანტური წერილები [6]
მომავალი გამოყენება:
კვანტური წერტილების საბაზრო ფასი 2020 წლისათვის 4.4 მილიარდი დოლარი იყო, 2027 წლისთვის კი მეცნიერები ვარაუდობენ, რომ 14.5 მილიარდამდე ავა. კვანტური წერტილების განვითარებამ ხელი შეუწყო ნანომატერიალების განვითარებას. მათი ოპტიკური მახასიათებლების გამო კვანტური წერტილები შეიძლება იყოს გამოყენებული ყველგან, სადაც ფერებს ვიყენებთ. ამის გარდა კვანტური წერტილების გამოყენება შესაძლებელია მედიცინაში, ენერგეტიკასა და თავდაცვაში.
კვანტური წერტილები იძლევა საშუალებას, რომ ეკრანზე ასახოს უფრო ზუსტი და კაშკაშა ფერები, ამავდროულად კი ნაკლები ენერგია დახარჯოს. ძველი LCDs-ა და OLEDs-ისაგან განსხავებით კი უფრო გამძლეა, ნაკლებად ფუჭდება, და მაშასადამე ძლებს უფრო დიდ ხანს, ვიდრე მისი წინამორბედები.
კვანტურ წერტილებს დიდი პოტენციალი აქვს მედიცინაშიც. კვანტური წერტილები გვეხმარება დიაგნოსტიკაში, ვიზუალიზაციასა და ორგანიზმში მედიცინის შეყვანაში. სინათლის მიერ აქტივაციის შემდეგ, კვანტურ წერტილებს შეუძლიათ ფლოურესცენტული თვისებები გამოავლინონ. კვანტური წერტილების სიკაშკაშე და ფოტოსტაბილურობა სათანადოს ხდის ბიომოლეკულური გამოკვლევისთვის, აუმჯობესებს დიაგნოსტიკასა და დაავადების მონიტორინგს. მედიკამენტის ორგანიზმში შეყვანა და სწორ დროს, სწორ ადგილას დაშლა მეტად ძნელი პროცესია. ამ ყველაფრის განხორციელებაში კვანტური წერტილების დახმარება შეიძლება. ამასთანავე კვანტური წერტილების გამოყენებით იზრდება, თერაპიული შედეგი და მცირდება სისტემის ტოქსიკურობა, ასევე შეიძლება მედიკამენტის უფრო ნელა, გრძელვადიანად გავრცელება თერაპიული ეფექტისათვის.
კვანტურ წერტილებს შეუძლიათ გაზარდონ მზის პანელების ეფექტურობა, ეს მნიშვნელოვანი მიღწევაა ენერგიის მიმართულებით, რადგან მზის პანელებთან დაკავშირებით ერთ-ერთი უდიდესი პრობლემაა სინათლის სხივის დაჭერა და შთანთქმა, სხვა მასალებთან შედარებით ეს თვისება კვანტურ წერტილებში განვითარებულია. აღსანიშნავია, რომ კვანტური წერტილების დამზადებას დამზადება შესაძლებელია, იაფი მასალისგანაც და არ ჭირდება ბევრი გადამუშავება, როგორც სილიკონს. ასევე კვანტურ წერტილებს შეუძლიათ განთავსება მრავალფეროვან იაფ მასალაზე, როგორიც თუნდაც მსუბუქი პლასტმასია. კვანტური წერტილების მზის პანელების პოტენციური გზა არის ნახევრადგამტარი მელანი, რომელსაც შეეძლება გადაფარვა დიდი ფართობის [7].
კვანტური წერტილები შეიძლება გამოყენებული იყოს იდენტიფიკაციისათვის და გაყალბების საწინააღმდეგოდ, ბიომეტრიული თავდაცვისათვის, ანაბეჭდებისა და თვალის ცნობისათვის. კვანტური წერტილების განთავსება შეიძლება პროდუქტებზე და გზავნილებზე, სინათლის გავრცელების შემდეგ ფერის გამომჟღავნება ადასტურებს პროდუქტის ავთენტურობას, რაც ამცირებს მოტყუების რისკს. იმავე ტექნიკით, შეიძლება პასპორტებისათვის, დოკუმენტებისა და ხელმოწერებისათვის უნიკალურობის მინიჭება [8].
გრაფენი, 2010 წლის ნობელის პრემიის გამარჯვებული პროექტი, მრავალი შესაძლებლობითაა გამორჩეული. მეცნიერებმა აჩვენეს, რომ შესაძლებელია, ერთი გრაფენის კრისტალისაგან ნანოზომის ტრანზისტორების შექმნა. განსხვავებით სხვა მასალისაგან, გრაფენი ძალზე მტკიცე და გამტარუნარიანი რჩება, იმ შემთხვევაშიც, თუ დაჭრილია ნანომეტრის სისქის ნაწილებად. ამ ყველაფრისგან გამომდინარე გრაფენის კვანტური წერტილები(GQDs) დიდი პოტენციალი აქვს ფოტოელექტრონიკაში, ფოტოვოლტიკაში, ბიოშეგრძნებასა და ბიოგამოსახულებაში, რადგან ინარჩუნებს ფოტოლუმინესცენციურ შესაძლებლობებს, ამასთანავე კარგი ბიოშეთავსებადობა აქვს, ნაკლებად ტოქსიკურია და სტაბილური ფოტოგაუფერულებისადმი [7].
კვანტური წერტილების აღმოჩენა და მათი გამოყენების შესაძლებლობა დიდი ნაბიჯია კაცობრიობისათვის. როგორც აღვნიშნე, კვანტური წერტილების შესაძლებლობები და პოტენციური გამოყენების სფეროები, ფართო და მრავლისმომცველია. განსაკუთრებით მნიშვნელოვანია კვანტური წერტილები მედიცინაში. მეცნიერების ეს დარგი ახლახანს აღმოცენდა და დიდი სისწრაფით ვითარდება. ნობელის პრემიის მიღება, მხოლოდ და მხოლოდ ამ პროცესს დააჩქარებს, რადგან გამოიწვევს ხალხში კვანტურ წერტილებზე ინფორმაციის პოპულარიზაციას და მოიზიდავს კომპანიებს, რათა მოხდეს ამ ყველაფრის კომერციალიზაცია.
ლიტერატურა:
[1]. E. Bubola, Katrina Miller. From The New York Times. Oct. 4, 2023.
https://www.nytimes.com/2023/10/04/science/nobel-prize-chemistry.html?smid=em-share
უკანასკნელად იქნა გადამოწმებული - 10.10.2023
[2] Jodi Hilton/Massachusetts Institute of Technology, via EPA, via Shutterstock; Shannon Stapleton/Reuters
[3] A.I. Ekimovm, Onushchenko A.A. “Quantum size effect in three-dimensional microscopic semiconductor crystal” , S.I. Vasilov State Optic Institute, გვ. 345, 1981
http://www.jetpletters.ru/ps/1517/article_23187.pdf
[4] R. Rossetti, Nakahara, S, Brus, L.E, “Quantum size effects in the redox potentials, resonance Raman spectra, and electronic spectra of CdS crystallites in aqueous solution”, 1983https://pubs.aip.org/aip/jcp/article/79/2/1086/776583/Quantum-size-effects-in-the-redox-potentials
[5] C.B. Murray, Norris, D. J., Bawendi, M.G., “Synthesis and characterization of nearly monodisperse CdE (E = sulfur, selenium, tellurium) semiconductor nanocrystallites”, Journal of the American Chemical Society, 1993. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/ja00072a025
[6] Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences
https://www.chemistryworld.com/news/2023-nobel-prize-in-chemistry-goes-to-trio-behind-quantum-dots/4018166.article უკანასკნელად გადამოწმებული 14.04.2023
[7] What are quantum dots? Nanowerk. https://www.nanowerk.com/what_are_quantum_dots.php, უკანასკნელად გადამოწმებული 14.04.2023
[8] Bright future of Quantum dots! https://aegle-technology.es/bright-future-of-quantum-dots/ - უკანასკნელად გადამოწმებული 14.04.2023
გამოქვეყნებულია: 08-11-2023