Нобелевские премии по физике и химии 2023 года были вручены за революционные методы исследования наномира. Лауреаты по физике разработали инструменты для наблюдения за движением электронов в невероятно короткие аттосекундные промежутки времени, а по химии — за открытие и синтез квантовых точек, наночастиц, чьи свойства зависят от размера. Среди химиков — учёный российского происхождения Алексей Екимов.
На фотографии представлена стеклянная пластинка с полупроводниковыми квантовыми точками селенида кадмия (CdSe) разного размера, синтезированная лауреатом Алексеем Екимовым. Образец, созданный путём отжига в печи с градиентом температуры, наглядно демонстрирует, как размер наночастиц определяет их цвет. Этот исторический артефакт до сих пор используется в учебных целях для знакомства студентов с нанонаукой.
Исследование глубин материи, мира ультрамалых объектов, стало одним из главных направлений современной науки. Этот наномир, где размеры измеряются миллионными долями миллиметра, оказался столь же захватывающим и полным открытий, как и космические просторы. За последнее десятилетие подавляющее большинство Нобелевских премий в естественных науках было присуждено за работы, связанные с манипуляцией нанообъектами. 2023 год продолжил эту тенденцию: все три научные премии отметили достижения в изучении мельчайших фрагментов материи.
Аттосекунды: запечатлеть движение электронов
Нобелевская премия по физике присуждена Пьеру Агостини (Университет штата Огайо, США), Ференцу Краусу (Институт квантовой оптики Макса Планка, Германия) и Анне Л'Юйе (Лундский университет, Швеция) за создание методов генерации аттосекундных импульсов света, позволивших впервые наблюдать сверхбыстрые процессы в мире электронов. Аттосекунда — это невообразимо малая единица времени, равная одной квинтиллионной (10⁻¹⁸) доле секунды. Если представить, что вся история Вселенной длится около 14 миллиардов лет, то в пересчёте на аттосекунды она уложилась бы менее чем в полсекунды. Освоение этого временного масштаба открыло новую эру в физике.
Прорыв начался в конце 1980-х годов, когда Анна Л'Юйе, изучая ионизированный аргон под воздействием инфракрасного лазера, обнаружила генерацию фотонов с более высокой энергией — так называемых высших гармоник. Учёные поняли, что это явление возникает, когда лазерное поле выбивает электрон из атома, а затем, благодаря быстрым колебаниям, «забрасывает» его обратно. Возвращающийся электрон обладает избыточной энергией, которая и излучается в виде высокочастотного света. Л'Юйе осознала потенциал этих гармоник для создания сверхкоротких импульсов.
Пьеру Агостини удалось преобразовать высшие гармоники в последовательность аттосекундных импульсов. Ференц Краус развил эти идеи, создав лазерные технологии для прецизионных экспериментов и впервые получив одиночные импульсы длительностью менее 1000 аттосекунд. Эти методы стали мощнейшим диагностическим инструментом. С их помощью учёные смогли измерить, с какой задержкой происходит фотоэффект, наблюдать перестройку электронных оболочек молекул после ионизации и даже «увидеть» движение атомных ядер.
«Это передовой уровень диагностики материалов, — комментирует академик Александр Сергеев. — Мы получаем возможность одновременно наблюдать процессы с пикометровым пространственным и аттосекундным временным разрешением. Это открывает мир в совершенно новом качестве».
Сегодня лауреаты работают над применением своих методов в атохимии — управлении образованием и разрывом химических связей с помощью ультракоротких импульсов. В перспективе эти технологии могут найти применение в медицине и полупроводниковой промышленности.
Квантовые точки: когда размер решает всё
Нобелевская премия по химии 2023 года стала особенной для России, впервые за более чем 60 лет отметив достижение отечественного учёного. Премию разделили Алексей Екимов (учёный российского происхождения), а также американцы Мунги Бавенди и Луи Брюс за открытие и синтез квантовых точек.
Алексей Екимов, работая в 1980-е годы в Ленинградском Государственном оптическом институте (ГОИ), впервые экспериментально продемонстрировал квантово-размерный эффект. Изучая цветные стёкла с примесями полупроводников (сульфида и селенида кадмия), он обнаружил, что оптические свойства микроскопических кристаллов внутри стекла радикально меняются в зависимости от их размера, при неизменном химическом составе. Крупные кристаллы могли быть тёмно-красными, а мельчайшие — жёлтыми или даже прозрачными. Так было сделано первое наблюдение эффекта, теоретически предсказанного ещё в работах Эрвина Шрёдингера.
«Открытие не стало неожиданностью, — отмечает сам Екимов. — Мы видели в нём экспериментальное подтверждение уже существующей теории». Его статьи, опубликованные в советских журналах, были переведены на английский и легли в основу нового научного направления.
Однако для широкого применения нужно было научиться создавать свободные, а не «запертые» в стекле наночастицы. Этот шаг совершил Луи Брюс, работая в Bell Labs. Он экспериментировал с коллоидными растворами и обнаружил, что спектр поглощения частиц сульфида кадмия меняется в зависимости от их размера и времени «старения» раствора.
Завершающий вклад внёс Мунги Бавенди, ученик Брюса. Он разработал метод «горячего инжектирования», позволяющий получать монодисперсные (однородные по размеру) квантовые точки высочайшего качества с почти стопроцентным выходом. Его технология сделала синтез квантовых точек простым, дешёвым и воспроизводимым, открыв дорогу к их коммерческому использованию.
Сегодня квантовые точки рассматриваются как многофункциональный материал будущего. Их потенциальные применения чрезвычайно широки: от высококонтрастных QLED-дисплеев и более эффективных солнечных батарей до биомедицинской диагностики (визуализация опухолей, маркеры для анализов). Хотя массовое внедрение идёт медленно, эксперты считают, что первой крупной отраслью, которая по достоинству оценит квантовые точки, станет производство телевизионных экранов.
Обратите внимание: Награды за «развитие клик-химии» удостоены двое американских ученых и датчанин.
Больше интересных статей здесь: Технологии.
Источник статьи: Нобелевские премии по физике и химии присудили за новые методы познания наномира.