De Nobelprijs voor de Scheikunde 2023 gaat naar Alexei Ekimov, Louis Brus, en Moungi Bawendi, voor de ontdekking en de synthese van quantumstippen. Dat zijn nanodeeltjes die zo klein zijn dat hun grootte hun eigenschappen mee bepaalt.
Beeld: Ill. Niklas Elmehed © Nobel Prize Outreach
Waarover de consternatie bij de aanwezige pers het grootst was, bleef tijdens de aankondigingsceremonie voor de Nobelprijs Scheikunde 2023 onbeslist. Natuurlijk deed de chemie zelf niet mee in die competitie voor de grootste belangstelling. Daarin ging het tussen het gelekte persbericht en de Russische winnaar.
Het eerste verscheen deze morgen in de Zweedse pers, nog voor het comité zijn vergadering had gehouden en beslist had wie de prijs dit jaar zou winnen. De laatste zou tot grote ontsteltenis van enkele aanwezige journalisten ook nog uitgenodigd zijn op het buffet.
Nochtans was er ook een journalist die zich afvroeg of deze prijs eigenlijk niet naar fysici had moeten gaan. Interessante vraag, waarop er een even interessant antwoord kwam. ‘Het klopt dat het onderzoek naar quantumstippen zich vaak in het domein van de halfgeleiderfysica situeert. Maar deze prijs gaat naar de onderzoekers die erin geslaagd zijn om materiaal te produceren met die eigenschappen, dat je dan verder kan gebruiken in chemische processen. En dat zijn scheikundigen.’
Door deze ontdekking kreeg het periodiek systeem plots een derde dimensie: naast het aantal elektronenschillen en het aantal elektronen in de buitenste schil, is op nanoniveau ook de grootte van belang
De eigenschappen van een chemisch element hangen af van zijn hoeveelheid elektronen, leert de klassieke chemie. Maar wanneer materie nanodimensies heeft, ontstaan er quantumverschijnselen. Die hangen af van de grootte van de materie. De Nobelprijswinnaars voor Scheikunde 2023 zijn erin geslaagd om deeltjes te maken die zo klein zijn dat ze bruikbare quantumverschijnselen vertonen.
In de nanowereld gedragen dingen zich écht anders. Zodra de grootte van materie wordt gemeten in miljoensten van een millimeter, beginnen zich vreemde fenomenen voor te doen: quantumeffecten - die onze intuïtie op de proef stellen.
Decennialang waren quantumverschijnselen een voorspelling. In 1937 had Herbert Fröhlich al voorspeld dat nanodeeltjes zich niet als andere deeltjes zouden gedragen. Hij onderzocht de theoretische gevolgen van de beroemde Schrödingervergelijking. Die toont aan dat er minder ruimte is voor de elektronen van een materiaal wanneer deeltjes extreem klein worden. De elektronen - die zowel golven als deeltjes zijn – worden samengeperst. Fröhlich realiseerde zich dat drastische veranderingen in de eigenschappen van het materiaal zou veroorzaken.
Quantumverschijnselen van theorie naar praktijk in gekleurd glas
In de jaren 1970 slaagden onderzoekers erin om een nanostructuur te maken. Met een moleculaire straal creëerden ze een nanodunne laag coating bovenop een bulkmateriaal. Ze konden aantonen dat de optische eigenschappen van de coating afhingen van de dikte. Dat was een belangrijke doorbraak, maar het experiment vereiste erg geavanceerde technologie: onderzoekers hadden zowel een ultrahoog vacuüm als temperaturen dicht bij het absolute nulpunt nodig.
De oudste archeologische vondsten van gekleurd glas dateren van duizenden jaren geleden. Glasmakers hebben door trial en error geleerd om glas in alle kleuren van de regenboog te produceren. Ze voegden stoffen als zilver, goud en cadmium toe en speelden met verschillende temperaturen.
Toen natuurkundigen de optische eigenschappen van licht begonnen te onderzoeken, gebruikten ze gekleurd glas om bepaalde golflengten uit te filteren. Voor betere experimenten begonnen ze zelf glas te produceren, en dat leidde tot belangrijke inzichten. Ze leerden onder andere dat één stof kon resulteren in totaal verschillend gekleurd glas. Uiteindelijk konden ze ook aantonen dat de kleur afhing van de grootte van de deeltjes die zich vormden in het glas.
Dat was de stand van de kennis aan het einde van de jaren 1970, toen Alexei Ekimov aan het werk ging bij het S. I. Vavilov State Optical Institute in de toenmalige Sovjet-Unie. Het feit dat één enkele stof kan resulteren in verschillend gekleurd glas interesseerde Ekimov, omdat het eigenlijk onlogisch is.
Hij begon systematisch glas te produceren dat gekleurd was met koperchloride. Hij verhitte het gesmolten glas tussen 500°C en 700°C en varieerde de verhittingstijd van 1 tot 96 uur. Toen het glas was afgekoeld en uitgehard, maakte hij röntgenfoto's. De verstrooide stralen toonden aan dat zich in het glas minuscule kristallen van koperchloride hadden gevormd en dat het fabricageproces de grootte van deze deeltjes beïnvloedde. In sommige glasmonsters waren ze maar twee nanometer groot, in andere wel dertig nanometer.
Interessant genoeg hing de lichtabsorptie van het glas samen met de grootte van de deeltjes. De grootste deeltjes absorbeerden het licht op dezelfde manier als koperchloride normaal doet, maar hoe kleiner de deeltjes, hoe blauwer het licht dat ze absorbeerden. Als natuurkundige was Ekimov goed bekend met de wetten van de quantummechanica en hij realiseerde zich al snel dat hij een grootte-afhankelijk quantumeffect had waargenomen.
Het periodiek systeem kreeg een derde dimensie
In 1981 publiceerde Ekimov zijn ontdekking in een wetenschappelijk tijdschrift in de Sovjet-Unie, dat natuurlijk moeilijk toegankelijk was voor onderzoekers aan de andere kant van het IJzeren Gordijn. Daarom was Louis Brus in de VS niet op de hoogte van de ontdekking van Alexei Ekimov. Brus werkte bij Bell Laboratories in de VS, en had als langetermijndoel chemische reacties te laten plaatsvinden met zonne-energie. Daarvoor gebruikte hij deeltjes cadmiumsulfide in een oplossing. Brus maakte ze heel klein, omdat dit hem een groter oppervlak gaf waarop de chemische reacties konden plaatsvinden.
Tijdens zijn werk met deze kleine deeltjes merkte Brus iets vreemds: hun optische eigenschappen veranderden nadat hij ze een tijdje op de labtafel had laten liggen. Hij vermoedde dat dit kwam doordat de deeltjes waren gegroeid. Om zijn vermoedens te bevestigen maakte hij cadmiumsulfidedeeltjes met een diameter van slechts 4,5 nanometer en hij vergeleek hun optische eigenschappen met die van de oudere deeltjes, die een diameter van 12,5 nanometer hadden. De grotere deeltjes absorbeerden licht bij dezelfde golflengten als cadmiumsulfide normaal doet, maar de kleinere deeltjes hadden een absorptie die naar blauw verschoof.
Quantumstippen zitten in computer- en televisieschermen met QLED-technologie, met de Q van quantumstip
Net als Ekimov begreep Brus dat hij een grootte-afhankelijk kwantumeffect had gezien. Hij publiceerde zijn ontdekking in 1983 en begon daarna deeltjes van een reeks andere stoffen te onderzoeken. Het patroon was hetzelfde - hoe kleiner de deeltjes, hoe blauwer het licht dat ze absorbeerden.
De optische eigenschappen van een stof worden bepaald door zijn elektronen. Dezelfde elektronen bepalen ook de andere eigenschappen van de stof, zoals het vermogen om chemische reacties te katalyseren of elektriciteit te geleiden. Dus toen onderzoekers de veranderde absorptie ontdekten, begrepen ze dat ze naar een nieuw materiaal keken.
Door deze ontdekking kreeg het periodiek systeem plots een derde dimensie: de eigenschappen van een element worden niet alleen beïnvloed door het aantal elektronenschillen en het aantal elektronen in de buitenste schil, op nanoniveau is ook de grootte van belang.
De revolutie in de productie van quantumstippen
Moungi Bawendi begon zijn postdoctorale opleiding in het laboratorium van Louis Brus in 1988. Met verschillende oplosmiddelen, temperaturen en technieken experimenteerden ze met verschillende stoffen om goede nanokristallen te vormen. Al werden de kristallen steeds beter, ze waren nog steeds niet goed genoeg.
Toen Bawendi ging werken aan het Massachusetts Institute of Technology zette hij zijn inspanningen voort. De grote doorbraak kwam in 1993, toen de onderzoeksgroep de stoffen die nanokristallen zouden vormen injecteerde in een verwarmd en zorgvuldig gekozen oplosmiddel. Ze injecteerden precies zoveel van de stoffen als nodig was om de oplossing te verzadigen.
Daardoor begonnen zich minuscule kristalembryo's te vormen. Door de temperatuur van de oplossing te variëren, slaagden Bawendi en zijn onderzoeksgroep erin om nanokristallen van een specifieke grootte te laten groeien. Het oplosmiddel hielp om de kristallen een glad en gelijkmatig oppervlak te geven. De nanokristallen die Bawendi produceerde waren bijna perfect. Omdat de productiemethode eenvoudig was, was ze revolutionair. Steeds meer scheikundigen gingen werken met nanotechnologie en begonnen de unieke eigenschappen van quantumstippen te onderzoeken.
Nu zijn quantumstippen een belangrijk onderdeel van commerciële producten. Ze zitten in computer- en televisieschermen met QLED-technologie, met de Q van quantumstip. In sommige Ledlampen maken ze het koude licht van de diodes warmer. Biochemici hechten quantumstippen aan biomoleculen om cellen en organen in kaart te brengen. Artsen zijn begonnen met een onderzoek om tumorweefsel in het lichaam op te sporen. Chemici gebruiken de katalytische eigenschappen van quantumstippen om chemische reacties aan te sturen. En volgens Nobelprijswinnaar Bawendi zijn we daarmee nog maar aan het begin van de mogelijkheden.
