Нобелевский лауреат-2023 по химии – выходец из СССР

Стали известны имена лауреатов Нобелевской премии по химии. Ими стали американцы Мунги Бавенди и Луис Брюс, а также выходец из СССР Алексей Акимов.

Премию они получили "за открытие и синтез квантовых точек", говорится в  пресс-релизе Нобелевского комитета.

Алексей Акимов родился в 1945 году в СССР. Окончил Санкт-Петербургский государственный университет (на тот момент - Ленинградский). Работал в Физико-техническом институте имени А. Ф. Иоффе и в Государственном оптическом институте имени С. И. Вавилова. С 1999 года работает в США.

Лауреатам удалось создать частицы настолько маленькие, что их свойства определяются квантовыми явлениями (процессами излучения, явлениями атомной и ядерной физики, физики конденсированных сред, химической связью). Если обычно свойство частиц определяется количеством электронов в них, то в квантовых — характеристики зависят от размера.

Так, самые маленькие квантовые точки светятся синим, средние — зеленым, а самые крупные — красным или оранжевым. Размер — единственная характеристика, которой они отличаются, и он меняет все их свойства: тепловые, магнитные, химические, электрические и т.д.

Екимов и Брюс смогли первыми наблюдать этот эффект в 1980-х годах.

Причём здесь витражные стекла?

«С древности люди добавляли в прозрачные стекла кадмий, медь и другие металлы, которые при отжиге собирались в структуры, цвет которых зависел от их размера. Древние люди, конечно, ничего не знали о квантовых точках. Их открыл Екимов, который проводил эксперименты с витражными стеклами. Именно он понял, что размер квантовых структур, которые образуют металлы в прозрачном стекле, и отвечает за цвет материала», — рассказал «Газете.Ru» доктор физико-математических наук, член-корреспондент РАН, директор Института им. Иоффе Сергей Иванов.

Стало понятно, что существуют какие-то наноструктуры — точечки, которые появляются на поверхности стекла при обжиге, и что они обладают удивительными свойствами.

«Использовать квантовые точки в стекле никак нельзя, нужно было придумать что-то, чтобы получить их, например, в жидкой среде. В 90-х годах появились исследования, в которых те же металлы погружались в коллоидные растворы, и при тепловой обработке этих растворов формировались квантовые точки.

Теперь они были в свободном виде в жидкости, их можно было изолировать и изучать независимо: вытащить, присоединить к ним медицинские препараты, ввести их в кровь животных. Это дало начало работам на границе трех областей: химии, физики и биологии», — объяснил Иванов.

Эти точки можно было примагнитить и таким образом направить препараты в нужные области организма или изготовить с ними раствор, чтобы увидеть края опухоли.

«Сейчас мы проводим эксперименты с квантовыми точками и их применением при хирургических операциях. Мы создали жидкость с содержанием квантовых точек, которые могут наноситься на опухоль.

У хирургов есть проблема: границы опухоли не видны. Но жидкость с квантовыми точками дает возможность увидеть границы опухоли и ее глубину. Эти ткани начинают светиться, если направить на них лазерный луч.

Сейчас мы в МФТИ проводим эксперименты in vitro в надежде создать оптимальную жидкость с квантовыми точками для применения во время операций», — рассказала «Газете.Ru» заведующая лабораторией нейробиологических и молекулярно-биологических проблем и биоскрининга МФТИ Елена Петерсен.

«Это как сэндвич»

Второй способ получения квантовых точек был реализован уже в полупроводниковых технологиях за счет эффекта самоорганизации. Как рассказал Иванов, для этого на поверхность одного полупроводника наносят тонким слоем другой. За счет разницы параметров возникает напряжение, которое приводит к тому, что напыляемый сверху материал собирается в кластеры. Если их потом зарастить тем материалом, который находится снизу, то мы получаем объекты одного материала в другом. Так были созданы полупроводниковые квантовые точки.

«Это как сэндвич. Плоскость, в которой вместо одного тонкого слоя, находятся три атомных слоя и островки, размеры которых сопоставимы с длиной свободного пробега электрона. Эта технология была применена для создания полупроводниковых лазеров», — пояснил ученый.

Лазеры на квантовых точках появились в СССР и сейчас развиваются активно, в том числе в России. Основная область их применения — телекоммуникации, где они используются для передачи информации через волоконно-оптическую связь.

При этом электрический сигнал преобразуется в оптический и передается по волокну. Большая часть связи идет именно по стекловолокну, интернет в том числе, сообщил Иванов. Кроме того, квантовые точки могут служить источником фотонов для оптических квантовых компьютеров, а еще с их помощью можно наладить квантовую невзламываемую связь, так как для нее необходима энергия одиночных фотонов.

«Это необходимо для оптических квантовых компьютеров, в которых фотоны используются как носители информации. Такие технологии в данный момент активно развиваются в России», — сообщил «Газете.Ru» руководитель научной группы Российского квантового центра и Университета МИСИС Алексей Федоров.

Открытие было сделано в СССР

Екимов стал пионером в области изучения квантовых точек: он первым смог показать квантовые эффекты наночастиц хлорида меди. Также он продемонстрировал, что размер частиц влияет на цвет.

«Алексей Екимов заканчивал физфак ЛГУ, и в 1970-х году его взял к себе в лабораторию в физико-техническом институте наш великий ученый Евгений Федорович Гросс. По существу, вся оптическая спектроскопия, а это именно те эффекты, которые Алексей Иванович обнаружил в стекле, все эти исследования начались в Физико-техническом институте им А.Ф.Иоффе.

Потом Екимов перевелся в Государственный оптический институт и занялся исследованием стекол, которые меняли цвет в зависимости от температуры отжига. Стекла легировались медью, хлором, кадмием, серой, селеном и другими элементами второй и шестой группы периодической таблицы. Оказалось, что при отжиге эти элементы собирались в наноразмерные кластеры», — рассказал «Газете.Ru» работавший с нобелевским лауреатом в одной лаборатории директор Физико-технического института им А.Ф. Иоффе Сергей Иванов.

В 1975 году Екимов был удостоен Государственной премии СССР в области науки и техники за работу по ориентации спина (момент импульса частицы) электрона в полупроводниках, а в 1989 году получил звание доктора физико-математических наук.

В начале 1980-х годов ученый, работая в ГОИ им. С.И. Вавилова, разработал и реализовал метод получения кристаллов нанометровых размеров в стеклообразных матрицах. Он исследовал оптические и электрические свойства стекол, содержащих нанокристаллы различных полупроводников. В результате ему удалось определить взаимосвязь между размерами этих кристаллов и спектроскопическими параметрами. То есть, нобелевское открытие было сделано еще в СССР.

Позже полупроводниковые нанокристаллы и им подобные объекты стали называть квантовыми точками. Начало их исследованию в мире было положено работами, выполненными Екимовым. Кроме Нобелевской премии, ученый также получил премию Вуда от Оптического общества Америки за «открытие нанокристаллических квантовых точек и новаторские исследования их электронных и оптических свойств».

С 1999 года Екимов живет в США и работает в американской частной компании Nanocrystals Technology Inc.

 

 

ФОТО: Tom Little / Reuters

 

 

 

---

---

---

---