Nobelpreis für Chemie 2023: Das Periodensystem hat jetzt eine dritte Dimension

Der Nobelpreis für Chemie 2023 wurde für die Entdeckung und Synthese von Quantenpunkten verliehen. Diese Errungenschaft ist ein Modell für die Kombination von Nanotechnologie und Quantenmechanik und ihre Anwendung ist eng mit Produktion und Leben verbunden. Dieser Artikel ist eine offizielle wissenschaftliche Einführung in die mit dem Nobelpreis ausgezeichneten Inhalte und bietet eine leicht verständliche Methode, um die Skalenabhängigkeit und Herstellungsmethoden von Quantenpunkten zu verstehen.

Übersetzung | Dong Weiyuan

Korrekturlesen | Li Dudu

Sie bringen Farbe in die Nanotechnologie

Moungi G. Bawendi, Louis E. Brus und Alexei I. Ekimov erhielten den Nobelpreis für Chemie 2023 für die Entdeckung und Entwicklung von Quantenpunkten. Diese winzigen Partikel haben einzigartige Eigenschaften und strahlen jetzt Licht in Fernsehbildschirmen und LED-Leuchten aus. Sie können chemische Reaktionen katalysieren und ihr helles Licht kann Chirurgen auch Tumorgewebe beleuchten.

„Toto, ich habe das Gefühl, wir sind nicht mehr in Kansas“, ist ein klassischer Satz aus dem Film Der Zauberer von Oz. Ein starker Tornado riss Dorothys Haus weg und ließ die Zwölfjährige bewusstlos in ihrem Bett zurück. Doch als das Haus wieder ankam und Dorothy mit ihrem Hund Toto aus der Tür ging, änderte sich alles. Plötzlich befand sie sich in einer magischen und farbenfrohen Welt.

Wenn ein verzauberter Tornado durch unser Leben fegen und alles auf Nanometergröße schrumpfen würde, wären wir sicherlich genauso schockiert wie Dorothy in Kansas. Alles um uns herum wird bunt und alles wird sich verändern. Unsere goldenen Ohrringe würden plötzlich blau schimmern und die goldenen Ringe an unseren Fingern würden rubinrot leuchten. Wenn wir versuchen, etwas auf einem Gasherd zu braten, kann die Bratpfanne schmelzen. Und unsere weißen Wände (deren Farbe Titandioxid enthält) werden anfangen, große Mengen reaktiver Sauerstoffspezies zu produzieren.

Abbildung 1 Quantenpunkte eröffnen uns neue Möglichkeiten, farbiges Licht zu erzeugen. Quelle: Johan Jarnestad/Königlich Schwedische Akademie der Wissenschaften

Im Nanobereich kommt es auf die Größe an

In der Nanowelt verhält es sich tatsächlich anders. Sobald die Größe der Materie in Millionstel Millimetern gemessen wird, treten seltsame Phänomene auf – Quanteneffekte, die unsere Intuition herausfordern. Die Gewinner des Nobelpreises für Chemie 2023 sind allesamt Pioniere in der Erforschung der Nanowelt. Anfang der 1980er Jahre gelang es Louis Brus und Alexei Ekimov unabhängig voneinander, Quantenpunkte zu erzeugen, winzige Nanopartikel, deren Eigenschaften auf Quanteneffekten beruhen. Im Jahr 1993 revolutionierte Moungi Bawendi die Methode zur Herstellung von Quantenpunkten in extrem hoher Qualität, eine wichtige Voraussetzung für ihren Einsatz in der heutigen Nanotechnologie.

Dank der Arbeit dieser Preisträger ist die Menschheit nun in der Lage, einige der exotischen Eigenschaften der Nanowelt zu nutzen. Quantenpunkte sind mittlerweile in kommerziellen Produkten enthalten und werden in vielen wissenschaftlichen Bereichen eingesetzt, von der Physik über die Chemie bis hin zur Medizin. Es ist jedoch noch zu früh, um jetzt darüber zu sprechen. Lassen Sie uns daher zunächst die Geschichte hinter dem Nobelpreis für Chemie 2023 aufdecken.

Abbildung 2 Quantenpunkte bestehen oft nur aus wenigen tausend Atomen. Was die Größe betrifft, verhält sich ein Quantenpunkt zu einem Fußball wie ein Fußball zur Erde. Quelle: Johan Jarnestad/Königlich Schwedische Akademie der Wissenschaften

Jahrzehntelang waren Quantenphänomene in der Nanowelt lediglich eine Vorhersage.

Als Alexei Jekimov und Louis Brus die ersten Quantenpunkte schufen, wussten die Wissenschaftler bereits, dass diese theoretisch ungewöhnliche Eigenschaften haben könnten. Bereits 1937 sagte der Physiker Herbert Fröhlich voraus, dass sich Nanopartikel nicht wie gewöhnliche Teilchen verhalten würden. Er leitete theoretische Ergebnisse aus der berühmten Schrödinger-Gleichung ab, die besagt, dass bei sehr kleiner werdenden Teilchen in einem Material weniger Platz für Elektronen vorhanden ist. Oder wir können sagen, dass Elektronen, die sowohl Wellen als auch Teilchen sind, zusammengedrückt werden. Fröhlich war sich bewusst, dass dies zu dramatischen Veränderungen der Materialeigenschaften führen würde.

Die Forscher waren von dieser Erkenntnis fasziniert und nutzten mathematische Werkzeuge, um viele größenabhängige Quanteneffekte erfolgreich vorherzusagen. Sie arbeiteten auch hart daran, diese Effekte in der Realität nachzuweisen, doch das war leichter gesagt als getan, da sie Nanostrukturen schnitzen mussten, die eine Million Mal kleiner waren als ein Stecknadelkopf.

Nur wenige glaubten, dass Quanteneffekte ausgenutzt werden könnten

Dennoch gelang es Forschern in den 1970er Jahren, solche Nanostrukturen herzustellen. Sie verwendeten eine Molekularstrahltechnik, um auf dem Hauptmaterial eine nanometerdicke Materialschicht zu erzeugen. Nach dem Zusammenbau konnten sie zeigen, wie die optischen Eigenschaften der Beschichtung mit ihrer Dicke variieren, eine Beobachtung, die mit den Vorhersagen der Quantenmechanik übereinstimmte.

Dies war ein großer Durchbruch, allerdings erforderte das Experiment eine sehr fortschrittliche Technologie. Die Forscher benötigten Ultrahochvakuum und Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt, sodass nur wenige erwarteten, dass quantenmechanische Phänomene praktische Anwendung finden würden. Doch manchmal bringt die Wissenschaft auch Unerwartetes hervor, und dieses Mal brachte die Untersuchung einer antiken Erfindung den Wendepunkt: die Glasmalerei.

Eine einzige Substanz kann Glas verschiedene Farben verleihen

Die ältesten archäologischen Funde von Buntglas sind Tausende von Jahren alt. Durch Experimente lernten Glashandwerker allmählich, wie man buntes Glas herstellt. Sie fügten Substanzen wie Silber, Gold und Cadmium hinzu und experimentierten mit unterschiedlichen Temperaturen, um schönes Glas mit unterschiedlichen Farbtönen herzustellen.

Im 19. und 20. Jahrhundert, als Physiker begannen, die optischen Eigenschaften des Lichts zu untersuchen, machte man sich das Wissen der Glasmacher zunutze. Physiker verwenden farbiges Glas, um bestimmte Wellenlängen des Lichts zu filtern. Um ihre Experimente zu optimieren, begannen sie, das Glas selbst herzustellen, was zu wichtigen Erkenntnissen führte. Eine der Entdeckungen bestand darin, dass man aus einer einzigen Substanz Glas in völlig unterschiedlichen Farben herstellen konnte. Beispielsweise kann eine Mischung aus Cadmiumselenid und Cadmiumsulfid Glas gelb oder rot färben, je nachdem, bei welcher Temperatur das Glas geschmolzen und wie es abgekühlt wird. Schließlich konnten sie zeigen, dass die Farbe von Partikeln herrührte, die sich im Inneren des Glases bildeten, und dass die Farbe von der Größe der Partikel abhing.

Dies war im Wesentlichen der Wissensstand Ende der 1970er Jahre, als einer der diesjährigen Nobelpreisträger, Alexei Ekimov, gerade seinen Doktortitel erhalten hatte und seine Arbeit am Staatlichen Optischen Institut SI Vavilov aufnahm.

Alexei Ekimov enthüllt die Geheimnisse des farbigen Glases

Die Tatsache, dass aus einer einzigen Substanz Glas in verschiedenen Farben hergestellt werden kann, faszinierte Alexei Jekimow, denn sie war eigentlich unlogisch. Wenn Sie ein Bild mit Cadmiumrot malen, sollte es immer Cadmiumrot sein, sofern Sie nicht andere Pigmente hineinmischen. Warum also erzeugt ein und dieselbe Substanz Glas in verschiedenen Farben?

Während seiner Promotion beschäftigte sich Ekimo mit Halbleitern – einem wesentlichen Bestandteil der Mikroelektronik. In diesem Bereich werden optische Methoden als Diagnosewerkzeuge zur Beurteilung der Qualität von Halbleitermaterialien eingesetzt. Die Forscher beleuchten das Material und messen die Absorption. Dadurch kann festgestellt werden, woraus das Material besteht und wie geordnet seine Kristallstruktur ist.

Jekimow war mit diesen Methoden vertraut und begann, farbiges Glas auf diese Weise zu untersuchen. Nach einigen Vorversuchen beschloss er, systematisch Glas mit Kupferchloridzusatz herzustellen. Er erhitzte das geschmolzene Glas für Zeiträume zwischen 1 Stunde und 96 Stunden auf Temperaturen zwischen 500 °C und 700 °C. Sobald das Glas abgekühlt und ausgehärtet ist, durchleuchtet er es mit Röntgenstrahlen. Die Streustrahlung zeigte, dass sich im Glas winzige Kupferchloridkristalle bildeten und dass der Herstellungsprozess die Größe dieser Partikel beeinflusste. In manchen Glasproben waren sie nur etwa 2 Nanometer groß, in anderen bis zu 30 Nanometer.

Interessanterweise stellt sich heraus, dass die Lichtabsorption von Glas von der Größe der Partikel beeinflusst wird. Die größten Partikel absorbieren Licht auf die gleiche Weise wie Kupferchlorid es normalerweise tut, während das von ihnen absorbierte Licht umso blauer ist, je kleiner die Partikel sind. Als Physiker war Ekimov mit den Gesetzen der Quantenmechanik bestens vertraut und erkannte schnell, dass er einen größenabhängigen Quanteneffekt beobachtet hatte (Abbildung 3).

Abbildung 3: Quanteneffekte treten auf, wenn die Partikelgröße schrumpft. Wenn die Teilchen nur noch wenige Nanometer groß sind, schrumpft der für Elektronen verfügbare Raum. Dies beeinflusst die optischen Eigenschaften der Partikel. Quantenpunkte absorbieren Licht und geben es dann bei einer anderen Wellenlänge ab. Seine Farbe hängt von der Größe der Partikel ab. Quelle: Johan Jarnestad/Königlich Schwedische Akademie der Wissenschaften

Dies ist das erste Mal, dass es Menschen gelungen ist, gezielt Quantenpunkte zu erzeugen. Dabei handelt es sich um Nanopartikel, die eine Quantengrößenabhängigkeit hervorrufen können. Im Jahr 1981 veröffentlichte Jekimow seine Erkenntnisse in einer sowjetischen wissenschaftlichen Zeitschrift, doch für Forscher auf der anderen Seite des Eisernen Vorhangs war der Zugang zu ihnen schwierig. Als Louis Brus, der diesjährige Nobelpreisträger für Chemie, 1983 als erster Wissenschaftler weltweit die Quantengrößenabhängigkeit freier Teilchen in einer Flüssigkeit nachwies, wusste er nichts von Alexei Jekimows Entdeckung.

Brus zeigt, dass die seltsamen Eigenschaften von Teilchen Quanteneffekte sind

Louis Brus arbeitete damals bei Bell Labs in den USA und sein langfristiges Ziel war es, Sonnenenergie für chemische Reaktionen zu nutzen. Um dies zu erreichen, verwendete er Cadmiumsulfidpartikel, die Licht einfangen und dessen Energie zum Antreiben der Reaktion nutzen können. Diese Partikel werden in einer Lösung suspendiert und Brus macht sie sehr klein, da dies die Oberfläche für chemische Reaktionen vergrößert. Je stärker eine Substanz zerkleinert wird, desto mehr Oberfläche ist der Umgebung ausgesetzt.

Beim Studium dieser winzigen Partikel bemerkte Brus etwas Seltsames: Nachdem er die Partikel eine Weile auf seinem Labortisch liegen gelassen hatte, veränderten sich ihre optischen Eigenschaften. Er vermutete, dass die Partikel größer geworden sein könnten, und um seine Vermutung zu bestätigen, stellte er Cadmiumsulfidpartikel mit einem Durchmesser von etwa 4,5 Nanometern her. Anschließend verglich Brus die optischen Eigenschaften dieser neu hergestellten Partikel mit denen größerer Partikel mit einem Durchmesser von etwa 12,5 Nanometern. Die größeren Partikel absorbieren Licht derselben Wellenlänge wie Cadmiumsulfid, die kleineren Partikel absorbieren jedoch Licht mit einer in Richtung Blau verschobenen Wellenlänge (Abbildung 3).

Wie Ekimov war sich Brus darüber im Klaren, dass er Quanteneffekte beobachtete, die von der Größe abhingen. Er veröffentlichte seine Ergebnisse im Jahr 1983 und begann anschließend zu untersuchen, ob Partikel aus anderen Substanzen ähnliche Ergebnisse zeigten. Das Ergebnis ist das gleiche: Je kleiner die Partikel, desto mehr blaues Licht absorbieren sie.

Das Periodensystem hat eine dritte Dimension

Sie fragen sich jetzt vielleicht: „Warum sollte es wichtig sein, wenn sich die Absorption einer Substanz leicht in Richtung blaues Licht verschiebt? Warum ist das so überraschend?“

Tatsächlich zeigen die optischen Veränderungen, dass sich die Eigenschaften der Substanz völlig verändert haben. Die optischen Eigenschaften einer Substanz werden durch ihre Elektronen gesteuert. Diese Elektronen steuern auch andere Eigenschaften einer Substanz, beispielsweise ihre Fähigkeit, chemische Reaktionen zu katalysieren oder Elektrizität zu leiten. Als die Forscher eine Veränderung in der Photonenabsorption entdeckten, dachten sie im Prinzip, dass sie es mit einem völlig neuen Materialtyp zu tun hätten.

Um die Bedeutung dieser Entdeckung zu verstehen, stellen Sie sich vor, das Periodensystem bekäme plötzlich eine dritte Dimension: Die Eigenschaften eines Elements werden nicht nur von der Zahl seiner Elektronenschalen und der Zahl der Elektronen in seiner äußeren Schale beeinflusst, sondern im Nanomaßstab auch von seiner Größe. Ein Chemiker, der neue Materialien entwickeln möchte, hat somit einen weiteren Parameter, den er beeinflussen kann – und das regt die Fantasie der Forscher sicherlich an!

Es gab nur ein Problem: Die von Brus verwendete Methode zur Herstellung von Nanopartikeln führte oft zu Partikeln von unvorhersehbarer Qualität. Quantenpunkte sind winzige Kristalle (Abbildung 2), und die damals herstellbaren Kristalle wiesen häufig Defekte auf und waren von unterschiedlicher Größe. Man kann die Kristallbildung so manipulieren, dass die Partikel eine bestimmte Durchschnittsgröße haben. Wenn Forscher jedoch möchten, dass alle Partikel in einer Lösung ungefähr die gleiche Größe haben, müssen sie diese nach ihrer Entstehung sortieren. Dies ist ein schwieriger Prozess, der die Entwicklung behindert.

Moungi Bawendi revolutioniert die Herstellung von Quantenpunkten

Der dritte Gewinner des diesjährigen Nobelpreises für Chemie beschloss, dieses Problem anzugehen. Moungi Bawendi begann 1988 als Postdoc im Labor von Louis Brus, das viel Arbeit in die Verbesserung der Methoden zur Herstellung von Quantenpunkten steckte. Sie verwendeten eine Vielzahl von Lösungsmitteln, kontrollierten Temperaturen und Techniken, um mit unterschiedlichen Substanzen gut organisierte Nanokristalle zu bilden. Die von ihnen hergestellten Kristalle wurden zwar besser, waren aber immer noch nicht ideal.

Bawendi gab nicht auf. Als er seine Tätigkeit als Forschungsleiter am MIT aufnahm, setzte er seine Bemühungen zur Herstellung hochwertigerer Nanopartikel fort. Der Durchbruch kam 1993, als das Team das Material in ein erhitztes, sorgfältig ausgewähltes Lösungsmittel injizierte. Sie injizierten genau die richtige Menge an Material, um eine gesättigte Lösung zu bilden, die gleichzeitig mit der Bildung winziger Embryonen begann (Abbildung 4).

Anschließend gelang es Moungi Bawendi und seinem Forschungsteam durch dynamische Temperaturänderungen der Lösung, Nanokristalle einer bestimmten Größe zu züchten. Bei diesem Vorgang trägt das Lösungsmittel dazu bei, den Kristallen eine glatte, gleichmäßige Oberfläche zu verleihen. Die von Bawendi hergestellten Nanokristalle sind nahezu perfekt und erzeugen ausgeprägte Quanteneffekte. Da diese Produktionsmethode einfach anzuwenden ist, hat sie eine revolutionäre Wirkung: Immer mehr Chemiker beginnen, sich mit der Nanotechnologieforschung zu beschäftigen und die einzigartigen Eigenschaften von Quantenpunkten zu erforschen.

Abbildung 4: Bawendis Methode zur Herstellung von Quantenpunkten einheitlicher Größe. Bawendi injizierte eine Substanz, die Cadmiumselenidpartikel bilden kann, in ein heißes Lösungsmittel. Es bildeten sich sofort winzige Cadmiumselenidkristalle und die Zugabe eines Kühlmittels stoppte das Kristallwachstum. Als die Lösungsmitteltemperatur wieder erhöht wurde, wuchsen die Kristalle erneut; je länger die Zeit, desto größer die Kristalle. Bildnachweis: Johan Jarnestad/Königlich Schwedische Akademie der Wissenschaften

Die lichtemittierenden Eigenschaften von Quantenpunkten finden kommerzielle Anwendung

Dreißig Jahre später sind Quantenpunkte zu einem wichtigen Bestandteil der Nanotechnologie geworden und tauchen in kommerziellen Produkten auf. Quantenpunkte nutzen Forscher vor allem zur Erzeugung farbigen Lichts. Strahlt man blaues Licht auf die Quantenpunkte, absorbieren diese das Licht und emittieren eine andere Farbe. Durch Anpassung der Partikelgröße kann sichergestellt werden, dass diese eine bestimmte Lichtfarbe aussenden (Abbildung 3).

Die lichtemittierenden Eigenschaften von Quantenpunkten werden in Computer- und Fernsehbildschirmen genutzt, die auf der Quantenpunkt-Leuchtdioden-Technologie (QLED) basieren, wobei das Q für Quantenpunkt steht. In diesen Bildschirmen wird blaues Licht mithilfe hocheffizienter Dioden erzeugt, die 2014 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet wurden. Quantenpunkte werden verwendet, um die Farbe von blauem Licht zu ändern und es rot oder grün zu machen. Dadurch kann der Fernsehbildschirm die erforderlichen drei Grundfarben des Lichts erzeugen.

In ähnlicher Weise werden Quantenpunkte auch in einigen LED-Leuchten verwendet, um die Farbtemperatur der LED anzupassen. Auf diese Weise kann das Licht so lebendig wie Tageslicht oder so ruhig wie das warme Leuchten einer gedimmten Glühbirne werden. Auch in der Biochemie und Medizin könnte Quantenpunktlicht Anwendung finden. Biochemiker befestigen Quantenpunkte an Biomolekülen, um Zellen und Organe zu markieren. Ärzte haben begonnen, den Einsatz von Quantenpunkten zur Verfolgung von Tumorgewebe im Körper zu untersuchen; und Chemiker nutzen die katalytischen Eigenschaften von Quantenpunkten, um chemische Reaktionen voranzutreiben.

Quantenpunkte bieten der Menschheit also zahlreiche Vorteile und wir stehen erst am Anfang, ihr Potenzial zu erforschen. Forscher glauben, dass Quantenpunkte in Zukunft zu flexibler Elektronik, winzigen Sensoren, dünneren Solarzellen und sogar verschlüsselter Quantenkommunikation beitragen könnten. Eines ist sicher: Wir müssen noch viel über erstaunliche Quantenphänomene lernen. Wenn also die 12-jährige Dorothy auf der Suche nach Abenteuern ist, bietet Nanoworld jede Menge unterhaltsame Möglichkeiten.

Dieser Artikel wurde übersetzt von:

https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2023/popular-information/

Besondere Tipps

1. Gehen Sie zur „Featured Column“ unten im Menü des öffentlichen WeChat-Kontos „Fanpu“, um eine Reihe populärwissenschaftlicher Artikel zu verschiedenen Themen zu lesen.

2. „Fanpu“ bietet die Funktion, Artikel nach Monat zu suchen. Folgen Sie dem offiziellen Account und antworten Sie mit der vierstelligen Jahreszahl + Monat, also etwa „1903“, um den Artikelindex für März 2019 zu erhalten, usw.

Copyright-Erklärung: Einzelpersonen können diesen Artikel gerne weiterleiten, es ist jedoch keinem Medium und keiner Organisation gestattet, ihn ohne Genehmigung nachzudrucken oder Auszüge daraus zu verwenden. Für eine Nachdruckgenehmigung wenden Sie sich bitte an den Backstage-Bereich des öffentlichen WeChat-Kontos „Fanpu“.