Nanotecnologia: La Reial Acadèmia Sueca de Ciències ha anunciat avui la concessió del Premi Nobel de Química a Moungi G. Bawendi, Louis E. Brus i Alexei I. Ekimov "per la descoberta i síntesi de punt quàntics". Els punts quàntics o taques quàntiques són partícules cristal·lines semiconductores d’uns pocs nanòmetres de diàmetre. Aquesta mida (1 nm = 10-9 m) fa que efectes mecànics quàntics alterin les propietats òptiques i electròniques d’un semiconductor clàssic. Bawendi, Brus i Ekimov es repartiran a parts iguals els 11 milions de kronor sueques.
Electromicrografia de transmissió per agranatge de resolució atòmica que ens mostra una taca quàntica d’arseniür d’indi i de gal·li (InGaAs) dins d’un bloc d’arseniür de gal·li
Moungi G. Bawendi
Moungi Gabriel Bawendi (*París, 15.3.1961) es doctorà a la University of Chicago el 1988 amb una tesi sobre bandes calentes de H3+ supervisada per Takeshi Oka. És professor al Massachusetts Institute of Technology (MIT) des del 1996.
Louis E. Brus
Louis E. Brus (*Cleveland, 1943) es doctorà a la Columbia University el 1969. El 1973 començà a fer recerca a AT&T Bell Laboratories, desenvolupant en el 1983 nanocristalls semiconductors col·loidals. És professor de química a la Columbia University des del 1996.
Alexei I. Ekimov
Алексей Иванович Екимов (*28.2.1945) es doctorà a Ioffe Physical-Technical Institute de Sankt Petersburg amb una tesi sobre física de semiconductors. El 1975 rebé el Premi Estatal de la Unió Soviètica de Ciència i Enginyeria pels seus treballs sobre orientació de l’espín electrònic en semiconductors. Des del 1999 fou cap científic de Nanocrystals Technology Inc., amb seu a NYC.
Punts quàntics
Els punts quàntics es troben a cavall del món molecular i del món macroscòpic. El món macroscòpic, al capdavall, és integrat per molècules, i l’estructura molecular de cada cos macroscòpic determina les seves propietats químiques. Un punt quàntic també és un agregat de molècules, però d’una mida prou petita com perquè aquesta mida n’afecti les propietats a través d’efectes quàntics.
La mecànica quàntica introduí aviat el problema de la partícula en una capsa. Quan una partícula es troba confinada en un espai de mida comparable a la longitud d’ona que porta associada (segons el principi de de Broglie), les energies de la funció d’ona permeten estats que depenen críticament de l’invers del quadrat de la mida de l’espai.
Quan la mida de la ‘capsa’ depassa de llarg la longitud d’ona associada a la partícula, la mecànica quàntica no desapareix sinó que és la que explica la traducció de l’estructura electrònica de les molècules en les propietats macroscòpiques de la matèria. Els cossos metàl·lics poden entendre’s com un conjunt de nuclis atòmics immersos en un ‘gas’ integrat per electrons lliures. Segons el metall o aliatge, hom pot determinar com a fonamental la calor específica. Ara bé, si una làmina metàl·lica és prou prima (10 nm) i la temperatura ambiental és prou baixa (de l’ordre d’uns pocs kelvin) la calor específica pot variar d’acord amb el gruix de la làmina i apartar-se del valor propi del metall originari.
A final dels anys 1970, el grup d’Ekimov, de l’Institut Òptic Estatal de l’URSS S.I. Vavilov, aconseguí la creació de partícules cristalls de clorur de coure dins d’una matriu de vidre de silicat prou petits com per exhibir fenòmens quàntics (Ekimov et al., 1980). Així el color verd del vidre originari patia modificacions dependents d’aquests efectes quàntics. El vidre de silicat originari contenia clorur de coure per damunt del límit de solubilitat de la matriu gràcies a un tractament tèrmic. A una temperatura de 4,2 K, Ekimov et al. observaven línies d’excitons anàlogues a les observades en làmines fines de clorur de coure, però amb una formes que variaven d’acord amb el tractament tèrmic rebut pel vidre en el moment de la seva formació. En l’interior del vidre es formaven cristalls de CuCl: la mida mitjana d’aquests cristalls depenia del règim de temperatura sota el qual s’havia format el vidre (Golubkov et al., 1981). Els efectes quàntics sobre les propietats semiconductores eren observables perquè la mida dels cristalls era de l’ordre de nanòmetres o de desenes de nanòmetres (Ekimov & Onushchenko, 1981).
En els anys 1980, el grup de Brus aconseguí demostrar efectes quàntics dependents de mida en nanopartícules que suraven en un medi líquid. Els punts quàntics col·loidals de Brus, a diferència dels punts quàntics immersos en vidre d’Ekimov, sí podien ésser objecte de processament ulterior. Rossetti et al. (1983) mostraren com la mida de cristal·lits de sulfur de cadmi (CdS) en solució aquosa influïa d’acord amb un efecte quàntic de mida sobre els espectres de ressonància de Raman i els espectres electrònics. Els efectes quàntics, detectables en cristalls frescos de 4-5 nm, s’esvaïen l’endemà quan recristal·litzaven a una mida superior (12,5 nm).
El 1993, el grup de Bawendi introduí un mètode per a la producció química de punts quàntics d’alta qualitat (Murray et al., 1993). La síntesi d’aquests punts quàntics comença amb la injecció i piròlisi immediata de reactius organometàl·lics en un solvent coordinador calent. En resulta una supersaturació abrupta de manera que el moment de nucleació dels cristalls queda ben definit. El reescalfament de la solució a la temperatura adient produeix un creixements i anellament que estabilitza la dispersió col·loidal. Un procés de precipitació diferencial permet separar cristalls de mides diferents. Amb una sola ronda de creixement, Murray et al. produïen nanocristal·lits de sulfur, seleniür i tel·luriür de cadmi de 1,2 a 11,5 nm. Els efectes quàntics es difuminaven en nanocristalls de mides superiors a 2 nm.
La introducció de punts quàntics en la tecnologia dels díodes emissors de llum ha donat lloc a la tecnologia QLED, utilitzada en pantalles d’ordinadors i televisors. Làmpades QLED són també utilitzades en histologia. Els punts quàntics poden jugar en el futur un paper en desenvolupament d’electrònica flexible, de nanosensors, de cèl·lules solars ultrafines, d’encriptació, etc.
Lligams:
- Pàgina de Louis E. Brus al web del Department of Chemistry de la Columbia University.
- Exciton light absorption by CuCl microcrystals in glass matrix. A.I. Ekimov, A.A. Onuschenko, V.A. Tsekhomskii. Sov. Glass Phys. Chem 6: 511-512 (1980).
- Quantum size effect in three-dimensional microscopic semiconductor crystals. A. I. Ekimov, A. A. Onushchenko. JETP Lett+ 34: 345-349 (1981).
- Quantum Size Effects in the Redox Potentials, Resonance Raman-Spectra, and Electronic-Spectra of Cds Crystallites in Aqueous-Solution. R. Rossetti, S. Nakahara, L. E. Brus. J. Chem. Phys. 79: 1086-1088 (1983).
- Electron–electron and electron‐hole interactions in small semiconductor crystallites: The size dependence of the lowest excited electronic state. L. E. Brus. J. Chem. Phys. 80: 4403-4409 (1984).
- Synthesis and characterization of nearly monodisperse CdE (E = sulfur, selenium, tellurium) semiconductor nanocrystallites. C. B. Murray, D. J. Norris, M. G. Bawendi. J. Am. Chem. Soc. 115: 8706-8715 (1993).
Cap comentari:
Publica un comentari a l'entrada