Nobelpristagarna i kemi 2023 är pionjärer inom nanotekniken. De har upptäckt och med kemiska metoder lyckats framställa nanometerstora partiklar – kvantprickar.

Årets Nobelpristagare rör sig i gränsområdet mellan fysik och kemi. Moungi G. Bawendi, Louis E. Brus och Alexej I. Jekimov får Nobelpriset i kemi 2023 ”för upptäckt och syntes av kvantprickar”.

– Upptäckten har haft stor betydelse för utvecklingen av nanovetenskapen. Och det var kemiska metoder som gjorde upptäckten möjlig och gör att kvantprickarna kan tillverkas, modifieras och utvecklas till olika tillämpningar, säger Heiner Linke, som är professor vid Lunds universitet och ledamot i Nobelkommittén för kemi.

Kvantprickar är bara några få nanometer i diameter. När partiklarna är så små får de helt andra egenskaper än om de vore större. Det beror på så kallade kvantfenomen. Fysiker har länge känt till att dessa fenomen kan uppstå i nanopartiklar, men att få fram så små partiklar med tillräckligt hög kvalitet ansågs länge vara näst intill omöjligt. Louis Brus och Alexej Jekimov lyckades dock i början av 1980-­talet – oberoende av varandra – skapa de nanometersmå kvantprickarna.

Alexej Jekimov arbetade på S. I. Vavilovs statliga optiska institut i dåvarande Sovjetunionen med att kartlägga färgat glas. Han belyste glaset med ljus och mätte vilka våglängder som absorberades. På så sätt kunde han bland annat se hur välordnad kristallstrukturen var.

I en serie experiment tillverkade han glas dopat med salt av kopparklorid. Han värmde glasmassan till olika temperaturer under olika lång tid. När glaset hade stelnat skickade han röntgenstrålar genom det. Spridningen på strålarna avslöjade att det hade bildats minimala kristaller av kopparklorid inuti glaset, och att tillverkningsprocessen påverkade hur stora partiklarna blev. I vissa av glasen var de bara runt 2 nanometer, i andra upp mot 30 nanometer.

Det intressanta var att glasets absorption visade sig påverkas av partiklarnas storlek. Ju mindre partiklarna var, desto blåare blev ljuset som de absorberade. Alexej Jekimov insåg att han hade observerat en storleksberoende kvanteffekt.

Detta var första gången som någon på ett medvetet sätt lyckades framställa kvantprickar. 1981 publicerade Alexej Jekimov sin upptäckt i en sovjetisk vetenskaplig tidskrift, men publikationen nådde inte forskare i väst.

Louis Brus kunde något år senare påvisa storleksberoende kvanteffekter hos partiklar som svävade i en vätska. Han arbetade vid Bell laboratories i USA med det långsiktiga målet att kunna få kemiska reaktioner att ske med hjälp av solenergi. För att åstadkomma detta använde han partiklar av kadmiumsulfid, som kan fånga in ljus och sedan utnyttja energin för att driva reaktioner. Partiklarna var i lösning och Brus gjorde dem väldigt små, för att på så sätt få en större yta på vilken de kemiska reaktionerna kunde ske.

Under arbetet märkte Brus att partiklarnas optiska egenskaper ändrades när han hade lämnat dem framme på labbänken ett tag. Han anade att det kunde bero på att partiklarna hade vuxit i storlek.

För att bekräfta sina misstankar tillverkade han kadmiumsulfidpartiklar som endast var någon nanometer i diameter. Sedan jämförde han de optiska egenskaperna hos dessa partiklar med de som hade fått stå framme och växa till sig. De större partiklarna absorberade ljus vid samma våglängder som kadmiumsulfid i allmänhet, medan de mindre däremot absorberade våglängder som skiftade åt det blåare hållet.

Även Louis Brus insåg att han hade observerat en storleksberoende kvanteffekt. Han publicerade sin upptäckt 1983.

För den kemist som ville utveckla nya material fanns det alltså ytterligare en faktor att spela med: partikelstorleken. Problemet var bara att de metoder som Louis Brus använde gav partiklar som varierade i storlek och dessutom ofta var av ganska dålig kvalitet.

Det här problemet löste årets tredje pristagare. Moungi Bawendi lyckades 1993 med kemiska metoder tillverka kvantprickar med nästan perfekt kvalitet. De kunde därmed på allvar börja användas inom nanotekniken.

Numera finns kvantprickar i flera kommersiella produkter. De används av forskare inom en rad olika fält. De lyser upp dator- och tv-skärmar som bygger på så kallad qled-teknik och förfinar ljuset i vissa led-lampor. Biokemister kopplar kvantprickar till biomolekyler för att kartlägga celler och organ. Kemister använder kvantprickarnas katalytiska egenskaper för att driva kemiska reaktioner.

I framtiden tror forskare att kvantprickar kan bidra till flexibel elektronik, minimala sensorer, tunnare solceller och kanske även krypterad överföring av kvantkommunikation.

Årets kemipris rör sig i gränsen mellan fysik och kemi. Tittar man på de övriga vetenskapliga Nobelpriserna 2023, finns en kemikoppling på både medicin eller fysiologi och fysikpriserna. Attosekundsnabba laserpulser används för att studera molekyler. Och vad handlar modifiering av baser i mrna om, om inte kemi?

– Det är ett styrkebevis att kemi är relevant på så många sätt, säger Heiner Linke.

Text: Siv Engelmark, chefredaktör Kemisk Tidskrift.

Den här artikeln är ursprungligen publicerad – med en pedagogisk bild som förklarar vetenskapen bakom kvantprickar – i Kemisk Tidskrift nr 4 2023 (om du är medlem och behöver lösenordet till PDF-versionen av tidningen som du finner via länken, mejla Kemisamfundet på info@kemisamfundet.se)

Kemisk Tidskrift skickas ut till medlemmar i Svenska Kemisamfundet. Läs mer om medlemskapet här: Medlemskap – Svenska Kemisamfundet