Nobelprisen i kemi anerkender nanoteknologiens magt

Nobelprisen i kemi i 2023 er ikke den første Nobelpris, der uddeles for forskning i nanoteknologi. Men det er måske den mest farverige anvendelse af teknologien, der er forbundet med udmærkelsen.

Dette års pris anerkender Moungi Bawendi, Louis Brus og Alexei Ekimov for opdagelsen og udviklingen af ​​kvanteprikker. I mange år var disse præcist konstruerede partikler i nanometerstørrelse - blot nogle få hundrede tusindedele af bredden af ​​et menneskehår i diameter - nanoteknologiske tonehøjder og præsentationer. Som forsker og rådgiver inden for nanoteknologi har jeg endda selv brugt dem, når jeg har talt med udviklere, politiske beslutningstagere, fortalergrupper og andre om løftet og farerne ved teknologien.

Oprindelsen af ​​nanoteknologi går forud for Bawendi, Brus og Ekimovs arbejde med kvanteprikker - fysikeren Richard Feynman spekulerede i, hvad der kunne være muligt gennem nanoteknologi allerede i 1959, og ingeniører som Erik Drexler spekulerede over mulighederne for atomisk præcis fremstilling i 1980'erne. Dette års trio af nobelpristagere var dog en del af den tidligste bølge af moderne nanoteknologi, hvor forskere begyndte at sætte gennembrud inden for materialevidenskab til praktisk brug.

Kvanteprikker fluorescerer glimrende:De absorberer en farve af lys og genudsender det næsten øjeblikkeligt som en anden farve. Et hætteglas med kvanteprikker, når det belyses med bredspektret lys, skinner med en enkelt levende farve. Det, der dog gør dem specielle, er, at deres farve bestemmes af, hvor store eller små de er. Gør dem små, og du får en intens blå. Gør dem større, men stadig i nanoskala, og farven skifter til rød.

Denne egenskab har ført til mange opsigtsvækkende billeder af rækker af hætteglas indeholdende kvanteprikker af forskellige størrelser, der går fra en slående blå i den ene ende, gennem grønne og orange, til en levende rød i den anden. Så iøjnefaldende er denne demonstration af nanoteknologiens magt, at kvanteprikker i begyndelsen af ​​2000'erne blev ikoniske for nanoteknologiens mærkelighed og nyhed.

Men selvfølgelig er kvanteprikker mere end et visuelt attraktivt salontrick. De demonstrerer, at unikke, kontrollerbare og nyttige interaktioner mellem stof og lys kan opnås gennem konstruktion af den fysiske form af stof - ændring af størrelsen, formen og strukturen af ​​objekter eller instanser - i stedet for at spille med de kemiske bindinger mellem atomer og molekyler. Sondringen er vigtig, og den er kernen i moderne nanoteknologi.

Spring kemiske bindinger over, stol på kvantefysik

Bølgelængderne af lys, som et materiale absorberer, reflekterer eller udsender, bestemmes normalt af de kemiske bindinger, der binder dets atomer sammen. Leg med kemien i et materiale, og det er muligt at finjustere disse bindinger, så de giver dig de farver, du ønsker. For eksempel startede nogle af de tidligste farvestoffer med et klart stof, såsom analin, omdannet gennem kemiske reaktioner til den ønskede nuance.

Det er en effektiv måde at arbejde med lys og farve på, men det fører også til produkter, der falmer over tid, efterhånden som disse bindinger nedbrydes. Det involverer også ofte brug af kemikalier, der er skadelige for mennesker og miljøet.

Kvanteprikker fungerer anderledes. I stedet for at være afhængige af kemiske bindinger til at bestemme bølgelængderne af lys, de absorberer og udsender, er de afhængige af meget små klynger af halvledende materialer. Det er kvantefysikken i disse klynger, der så bestemmer, hvilke bølgelængder af lys der udsendes – og det afhænger igen af, hvor store eller små klyngerne er.

Denne evne til at indstille, hvordan et materiale opfører sig ved blot at ændre dets størrelse, er en game changer, når det kommer til intensiteten og kvaliteten af ​​lys, som kvanteprikker kan producere, såvel som deres modstandsdygtighed over for blegning eller falmning, deres nye anvendelser og - hvis de er konstrueret smart – deres toksicitet.

Selvfølgelig er få materialer helt ugiftige, og kvanteprikker er ingen undtagelse. Tidlige kvanteprikker var f.eks. ofte baseret på cadmiumselenid - hvis bestanddele er giftige. Den potentielle toksicitet af kvanteprikker skal dog balanceres med sandsynligheden for frigivelse og eksponering, og hvordan de sammenlignes med alternativer.

Siden sine tidligere dage har quantum dot-teknologien udviklet sig i sikkerhed og anvendelighed og har fundet vej til et stigende antal produkter, fra displays og belysning, til sensorer, biomedicinske applikationer og mere. I processen er noget af deres nyhed måske slidt op. Det kan være svært at huske, hvor meget af et kvantespring teknologien er, der for eksempel bliver brugt til at promovere den seneste generation af prangende tv'er.

Og alligevel er kvanteprikker en afgørende del af en teknologiovergang, der revolutionerer, hvordan mennesker arbejder med atomer og molekyler.

'Basiskodning' på atomniveau

I min bog "Films from the Future:the Technology and Morality of Sci-Fi Movies" skriver jeg om konceptet "base coding." Ideen er enkel:Hvis folk kan manipulere den mest grundlæggende kode, der definerer den verden, vi lever i, kan vi begynde at redesigne og omstrukturere den.

Dette koncept er intuitivt, når det kommer til computing, hvor programmører bruger "basiskoden" af 1, s og 0'er, dog gennem sprog på højere niveau. Det giver også mening i biologien, hvor videnskabsmænd bliver mere og mere dygtige til at læse og skrive basiskoden for DNA og RNA – i dette tilfælde ved at bruge de kemiske baser adenin, guanin, cytosin og thymin som deres kodningssprog.

Denne evne til at arbejde med basiskoder strækker sig også til den materielle verden. Her består koden af ​​atomer og molekyler, og hvordan de er arrangeret på måder, der fører til nye egenskaber.

Bawendi, Brus og Ekimovs arbejde med kvanteprikker er et perfekt eksempel på denne form for materiale-verdens basiskodning. Ved præcist at danne små klynger af bestemte atomer til sfæriske "prikker" var de i stand til at udnytte nye kvanteegenskaber, som ellers ville være utilgængelige. Gennem deres arbejde demonstrerede de den transformative kraft, der kommer gennem kodning med atomer.

De banede vejen for stadig mere sofistikeret basiskodning i nanoskala, der nu fører til produkter og applikationer, som ikke ville være mulige uden den. Og de var en del af inspirationen til en nanoteknologisk revolution, der fortsætter den dag i dag. Omstrukturering af den materielle verden på disse nye måder overskrider langt, hvad der kan opnås gennem mere konventionelle teknologier.

Denne mulighed blev fanget i en rapport fra US National Science and Technology Council fra 1999 med titlen Nanotechnology:Shaping the World Atom by Atom. Selvom det ikke udtrykkeligt nævner kvanteprikker - en udeladelse, som jeg er sikker på, at forfatterne nu sparker sig selv over - fangede det, hvor transformerende evnen til at konstruere materialer på atomær skala kunne være.

Denne formgivning af verden på atomniveau er præcis, hvad Bawendi, Brus og Ekimov stræbte efter gennem deres banebrydende arbejde. De var nogle af de første materialers "basekodere", da de brugte atomisk præcis konstruktion til at udnytte små partiklers kvantefysik – og Nobelkomiteens anerkendelse af betydningen af ​​dette er velfortjent.

Leveret af The Conversation

Denne artikel er genudgivet fra The Conversation under en Creative Commons-licens. Læs den originale artikel.