Нобелевские премии по физике и химии присуждены за новые методы понимания наномира. В физике открыли возможность увидеть движение мельчайших частиц материи — электронов — за сверхкороткие промежутки времени, а в химии — удивительные свойства квантовых точек. Среди лауреатов премии по химии — Алексей Екимов, учёный из России, проживающий в США
Стеклянная пластинка, содержащая полупроводниковые квантовые точки CdSe разного размера. Получен Нобелевской премией по химии 2023 года Алексеем Екимовым путем отжига в печи с градиентом температуры, напрямую связанным с градиентом размера наночастиц. До сих пор используется в технических университетах для демонстрации студентам во время лекций по нанонауке и нанотехнологиям путешествие вглубь материи стало абсолютным трендом в естественных науках. В мире малых объектов он оказался не менее удивительным, чем в космосе с его невероятными расстояниями, измеряемыми в величинах с приставками «квадри-», «квинти-» и «сексти-». В нановселенной, населенной частицами размером в миллионные доли миллиметра и меньше, сегодня совершаются даже более масштабные открытия, чем в макромире. За последние десять лет 80% Нобелевских премий в области естественных наук были присуждены за исследования, связанные с манипулированием объектами на наноуровне. 2023 год не стал исключением. Все три научные награды достались исследователям, работающим с мельчайшими фрагментами материи.
Продвижение во времени
Нобелевская премия по физике присуждена Пьеру Агостини из Университета штата Огайо (США), Ференцу Краусу из Института квантовой оптики Макса Планка в Гархинге (Германия) и Анне Л'Юйе из Лундского университета (Швеция) за исследования в этой области атофизики, которая дала представление о мировых электронах. Чтобы понять масштаб этого достижения, давайте посмотрим на цифры.
Приставка «атто» означает 10−18. Следовательно, аттосекунда (ac) — это очень короткое время, равное 1 квинтиллионной секунды (одной миллиардной миллиардной доли секунды). Если обычную секунду сократить до аттосекунды, то время жизни всей Вселенной (по современным данным — около 13,8 миллиарда лет) легко уложится в 0,45 секунды. Покорение учёными этого диапазона стало очередным шагом на пути к продвижению вглубь шкалы времени, что позволяет в наименьшем приближении изучать структуру мира, где преобладает необычная и труднообъяснимая физика.
История аттонной науки началась в конце 1980-х годов, когда Анн Л'Юйе и ее коллеги изучали ионизированный аргон. Исследователи подвергли газ воздействию инфракрасного лазерного излучения, которое отреагировало генерацией серии фотонов на более высоких частотах. Это означало, что частицы, испускаемые аргоном, имели более высокую энергию, чем частицы лазера. Они были похожи на обертоны излучения – повторяющие одни и те же ноты на более высоких октавах. Вскоре ученые объяснили физику того, как газ генерирует эти «высшие гармоники». Электрические поля лазерной волны, поражающие атом, выбивают из него электрон, но если волна имеет правильную частоту, ее быстро осциллирующее поле немедленно восстанавливает статус-кво, подталкивая электрон обратно к иону. Входящий электрон часто имеет больше энергии, и этот дополнительный заряд высвобождается в виде высокочастотных фотонов.
Анна Л'Юйе поняла, что эти более высокие частоты можно использовать для генерации чрезвычайно коротких импульсов, и запустила программу по увеличению интенсивности высших гармоник. Пьеру Агостини удалось преобразовать их в аттосекундные импульсы, а Ференц Краус создал лазерную технологию для идеальных аттосекундных исследований и первым добился импульсов длительностью менее 1000 аттосекунд.
В последующие годы эти методы были использованы для проведения экспериментов на аттосекундных масштабах. С их помощью стало возможным измерить скорость фотоэлектрического эффекта, при котором свет отрывает электроны от атома; наблюдать перестройку электронов сразу после ионизации молекул; увидеть, как движутся молекулярные ядра.
«По сути, это материаловедение с очень детальным разрешением процессов, происходящих в веществе», — отмечает академик Александр Сергеев, научный руководитель Национального физико-математического центра в Сарове. «Это передовой уровень диагностики, когда мы можем одновременно видеть процессы с очень детальным пространственным разрешением (это даже не нанотехнологии, а пикометры!) и аттосекундным временным разрешением. В результате мир откроется нам в совершенно новая серия».
Сейчас лауреаты работают над внедрением этой методики в атохимию: они планируют использовать ультракороткие импульсы для управления образованием и разрывом химических связей способами, которые не происходят спонтанно. По мнению Анны Л'Юйе, придет время, когда атофизика принесет большую пользу медицине и полупроводниковой промышленности.
Размер большого значения
Категория «химия» в этом году стала особенной для России. Российские химики не удостаивались Нобелевских премий более 60 лет (последний раз премию получал в 1956 году советский академик Николай Семенов за исследования механизма химических реакций). В этом году тоже никто не ждал сюрприза, особенно учитывая внешнеполитическую ситуацию. На пресс-конференции генеральный секретарь Шведской королевской академии наук Ханс Эллегрен даже был вынужден прокомментировать «неудобный российский заговор», с достоинством ответив журналистам: «Мы просто следуем процедуре выявления наиболее важных выводов. Мы выбираем наиболее важных участников этих открытий».
Алексей Екимов в экспериментах первым показал, что можно радикально изменить физические свойства материала, не меняя его состава — достаточно указать необходимый размер нанокристаллов. Фактически, это было первое наблюдение квантово-размерных эффектов, предсказанных Эрвином Шрёдингером
Так, Нобелевская премия по химии 2023 года присуждена нашему соотечественнику Алексею Екимову, проживающему сейчас в США, а также американцам Мунги Бавенди и Луи Брюсу за открытие и синтез квантовых точек. На слайдах, показанных комитетом в момент объявления Нобелевских премий, сообщалось, что Алексей Екимов связан с Nanocrystals Technology Inc. (США), но это не совсем так. Ученый ушел из вышеупомянутого стартапа несколько лет назад, а свои пионерские исследования в области квантовых точек провел задолго до «американского периода» — в 1980-е годы, в Ленинграде, в Государственном оптическом институте его имени. С.И. Вавилова (ГОИ). Несмотря на выезд за границу в 1990-е годы, когда поддержка науки в России была сведена к минимуму, ученый сохранил российское гражданство и регулярно приезжает на родину для продления загранпаспорта.
Его научная карьера в Советском Союзе была потрясающей. После окончания Ленинградского государственного университета (физический факультет, кафедра молекулярной физики) поступил в аспирантуру Физико-технического института. А. Ф. Иоффе, где под руководством другого известного ученого, ныне директора кафедры физики и Центра нанотехнологий Политехнической школы в Париже, Вячеслава Сафарова изучал спиновые явления в полупроводниках.
Обратите внимание: Награды за «развитие клик-химии» удостоены двое американских ученых и датчанин.
За эти работы, легшие в основу его докторской диссертации, он и ряд его коллег по институту в 30-летнем возрасте получили Государственную премию СССР. Он мог бы добиться успеха в развитии начатого им перспективного направления, но вскоре после защиты оставил его и стал искать свой путь."Ленинградский Физтех тогда был перенасыщен активной, амбициозной молодежью, и Алексею предложили перейти в ГОИ", - вспоминает Вячеслав Сафаров в интервью "Эксперту". — Там он начал изучать цветное стекло — материал с примесями полупроводников сульфида и селенида кадмия (особенно из таких стекол делают кремлевские звезды). Как специалист по спектроскопии, которому нужно было получить определенный цвет, он увидел, что полупроводниковые агрегаты образуют небольшие полусферы. Открытие заключалось в том, что цвет этих структур зависел от их размера. Довольно крупный кристалл селенида кадмия, например, был темно-красного, почти черного цвета, а такое же вещество в виде маленькой точки — красного, розового, желтого и даже прозрачного».
Вскоре Екимов обнаружил, что, установив определенную температуру и время термообработки стекла, легированного полупроводниками сульфидом кадмия, селенидом кадмия или хлоридом меди, можно получать кристаллы в стеклянных матрицах размером от единиц до десятков нанометров и более. Исследования оптических и электрических свойств таких стекол подтвердили связь размеров этих кристаллов со спектроскопическими параметрами их поглощения. В этих экспериментах впервые было показано, что, не меняя состава материала, а только размера микрокристаллов (так эти структуры назывались в 1980-е годы; сейчас их называют квантовыми точками), можно радикально трансформировать физические свойства материи — оптические, электронные и другие. Фактически, оно продемонстрировало первое наблюдение квантово-размерных эффектов в материале, вычисленных еще в 1920-х годах известным любителем кошек Эрвином Шредингером и теоретически описанных немецким физиком Гербертом Фрелихом, а также советскими учеными Ильей Лифшицем, Арнольдом Косевичем и Владимир Сандомирский.
В своем первом интервью корреспонденту сайта Нобелевской премии Алексей Екимов, уже в статусе лауреата, отметил, что открытие квантовых точек не стало неожиданностью ни для него, ни для его коллег из ГОИ, поскольку оно было основано на сильная теоретическая база. "Мы видели в этом экспериментальное подтверждение уже существующей теории. Нашим справочником был многотомный учебник по физике, который изучали все студенты. (Речь идет, очевидно, об известном курсе теоретической физики Л. Ландау и Е. Лифшиц - "Эксперт".) До сих пор помню ту картинку из учебника, где была изображена квантовая яма, и уровни электронов, которые могут в ней находиться».
Первая научная статья Алексея Екимова об экспериментах с микрокристаллами была опубликована в 1980 году в журнале «Физика и химия стекла», затем обобщенные результаты были опубликованы в самом престижном советском журнале по физике — «Письма в ЖЭТФ» (Журнал экспериментальной и теоретической физики), все из которых публикации были переведены на английский язык Американским физическим обществом.
"В этих статьях Алексей очень грамотно развил теорию образования полупроводниковых микроструктур, опираясь на работы Ландау и Лифшица по образованию тумана. Проблема одна и та же: туман может быть густым, когда скапливаются крупные капли, и мелким туманом. "Советские теоретики подробно изучали, как они образуются, как одно переходит в другое, как исчезает туман. Екимов очень наглядно это перенес на наблюдения в стекле. Ему помог ученый из Физтеха Александр Эфрос, - рассказывает Вячеслав Сафаров.
Но фиксации микрокристаллов в стеклянной матрице было недостаточно, чтобы открыть путь к широкому практическому использованию. Необходимо было сделать эти структуры «свободными» для дальнейших манипуляций — для этого нужно было создать способ их перевода в раствор. Это удалось другому лауреату премии, американскому химику Луи Брюсу из Bell Labs. Он впервые экспериментировал с жидкостями — коллоидными растворами сульфида кадмия в воде — и обнаружил, что свежеприготовленные образцы отличаются от тех, которые простояли 24 часа. Они содержали наночастицы меньшего радиуса; Обнаружены также отклонения в спектре поглощения полупроводниковых кристаллов. Позже было показано, что спектры поглощения частиц могут меняться с изменением размера. Это была технология, почти готовая к внедрению; оставалось только научиться получать монодисперсные растворы нанокристаллов и синтезировать эти объекты без дефектов.
Эту часть пути преодолел третий призёр — ученик Брюса, американский учёный французского и тунисского происхождения, профессор Массачусетского технологического института Мунги Бавенди. Он усовершенствовал технику приготовления растворов — введение некоторых химических ингредиентов в горячий растворитель, что приводило к немедленному образованию кристаллов одинакового размера — около 1 нм — и хорошего качества. При нагревании смеси наночастицы росли. Изменяя время нагрева, удалось получить монодисперсные частицы диаметром от 1 до 11,5 нм в чистом виде и практически без дефектов в одном растворе. Благодаря подходу Бавенди выход квантовых точек увеличился почти до 100%.
Сегодня синтезом квантовых точек занимаются десятки лабораторий и небольших компаний. Идей по использованию этих предметов множество — от визуализации опухолей с их помощью до диагностики рака и повышения контрастности рентгеновских лучей до создания QLED-дисплеев, более мощных солнечных панелей, сверхнадежных штрих-кодов и использования более ярких и прочных рисунков на тканях. Они рассматриваются как потенциальный источник излучения для передачи информации в квантово-оптических компьютерах, так и как основа недорогих оптических детекторов и датчиков для автономного транспорта. Российский стартап при поддержке «Роснано» предложил использовать эти частицы для печати изображений на бумажных деньгах, но так и не реализовал проект из-за возникших незначительных технологических проблем.
Несмотря на очевидную перспективность, квантовые точки медленно проникают в повседневную жизнь. Их практическую ценность пока оценили лишь биологи, которые успешно используют эти объекты в изучении реакций с клетками и молекулами. По мнению экспертов-природоведов, в ближайшие годы наиболее привлекательной для инвестиций в квантовые точки станет многомиллионная индустрия по производству телеэкранов.
— История атофизики очень тесно связана с созданием коротковременных лазеров, фемтосекундной оптики. Пять лет назад Нобелевская премия была присуждена за создание лазеров с очень высокой пиковой мощностью. И эта тема тоже очень близка к тому, о чем мы сейчас говорим. Мощные поля и короткие импульсы связаны друг с другом: чтобы получить мощное поле, нам нужно генерировать очень короткие импульсы, и наоборот: мощное лазерное излучение позволяет нам двигаться дальше во временной шкале.
Фемтосекундный диапазон позволяет исследовать движение атома в молекуле. Область счетчика аттозы позволяет рассматривать движение электронов в атомах, а также в более сложных структурах.
Мы в России очень активно работаем в этих областях и хорошо знакомы с нашими уважаемыми коллегами, получившими Нобелевскую премию. В Национальном центре физики и математики, который мы сейчас строим в Сарове, тема сверхсильных оптических полей, в том числе аттосекундных импульсов, является одной из важнейших.
«Квантовые точки открыли возможность использования одного и того же материала для разных оптических приложений: поглощения и излучения света с разными длинами волн. Если существуют квантовые точки, размер которых варьируется от нескольких до десятков нанометров, мы можем в некоторых случаях охватить всю видимый спектральный диапазон или диапазон от ультрафиолета до инфракрасного. Это означает, что мы можем создавать устройства в широком спектральном диапазоне, например дисплеи всех цветов, только из одного материала, такого как селенид кадмия или сульфид кадмия.
Алексей Екимов первым экспериментально наблюдал спектры поглощения микрокристаллов и дал очень четкое качественное и количественное объяснение, которое до сих пор используется для описания электронных спектров в квантовых точках.
Два других нобелевских лауреата, Луи Брюс и Мунги Бавенди, разработали технологию создания нанокристаллов такого же размера; Исследователи попытались получить монодисперсные массивы квантовых точек одинакового размера, используя простой метод коллоидного синтеза. Метод дешев, быстр и позволяет получать высококачественные структуры с высоким кристаллическим совершенством.
Область применения квантовых точек быстро расширяется; теперь это может быть и в биомедицине и диагностике. Поскольку квантовые точки представляют собой сверхмаленькие объекты, способные светиться в ответ на облучение светом определенной длины волны, они при некоторых условиях позволят, например, визуализировать опухоль или могут использоваться в качестве диагностических маркеров.
Больше интересных статей здесь: Технологии.
Источник статьи: Нобелевские премии по физике и химии присудили за новые методы познания наномира.