Дорога к свету
Проходя мимо стеллажей с телевизорами, обратите внимание на модели, изготовленные с помощью технологии QLED. В этих плоских панелях «упакованы» сразу две Нобелевские премии: за светодиоды, дающие синий цвет, и за квантовые точки, которые светятся зеленым и красным, — свежая награда 2023 года.
Многие наверняка помнят, какая шумиха поднялась 10–15 лет назад вокруг темы нанотехнологий. Началось все задолго до получения графена, с квантовых точек, и по большому счету ими же и закончилось. Эти крошечные кристаллы остаются едва ли не единственным примером нанотехнологий, добравшихся до стадии массового применения, до магазинов и квартир. Ежегодные объемы связанной с ними индустрии оцениваются в 4 млрд долл. в год, доминируют здесь японская корпорация Sony и корейский гигант Samsung. Впрочем, корнями эта история уходит в Европу – туда, где витражи украшают строгие готические соборы.
«Да здесь уже глубокая ночь»,– отреагировал Алексей Екимов на внезапный звонок с сообщением о присуждении Нобелевской премии.
Цветные витражи
Разноцветные стекла научились изготавливать еще в античности, однако впоследствии это искусство оказалось почти забыто, и алхимикам европейского Средневековья пришлось многое открывать заново. Так, они обнаружили, что добавление в стеклянный расплав хлорида золота делает его красным, а введение нитрата серебра – желтым. Тогда же мастера заметили, что цвет допированного солями металлов стекла меняется в зависимости от того, как долго оно проходило отжиг, выдерживаясь при высокой температуре. А отсюда всего несколько шагов до парадоксов настоящей нанотехнологии. В самом деле, обычно цвет материала определяется энергетическим состоянием электронов, которые образуют связи в его молекулах. Пока химическая формула остается стабильной, не должен меняться и цвет: если подогреть белила, зелеными они не станут. Однако частицы металлов, запертые в стекле, вели себя именно так: меняли цвет без химических превращений. Конечно, средневековые алхимики не знали ответа на эту загадку витражей. Не думали о ней и физики, которые уже в начале ХХ века создавали квантовую механику, а попутно предсказали существование и некоторые важные свойства нанокристаллов. Один из базовых принципов микромира состоит в том, что энергия «квантуется», то есть передается и получается крошечными порциями, не больше и не меньше. Электрон может уловить или излучить фотон, несущий ровно столько, сколько ему самому нужно для перехода на другой энергетический уровень, а к «неподходящим» частицам будет совершенно равнодушен. Но на привычном нам макроскопическом уровне это почти незаметно. Кусочек металла содержит мириады электронов, свободно путешествующих по его почти бесконечной (для элементарных частиц) кристаллической решетке, и усредненные значения их энергии уже не дискретны; «ступеньки» сливаются в гладкий «пандус». В 1930-е годы физики показали, что между этими состояниями должно иметься промежуточное. Если решетка достаточно мала, то электроны уже неспособны перемещаться по ней так свободно и начинают проявлять полноценные квантовые эффекты, включая дискретность энергетических переходов. При этом конкретные энергетические состояния частиц – высоты «ступенек» – определяются размерами образца, а значит, в зависимости от него металл может иметь разную теплоемкость, оптические и другие свойства. Экспериментально квантовый размерный эффект был продемонстрирован в 1960-х, а в конце 1970-х с ним столкнулся первый из будущих лауреатов Нобелевской премии по химии 2023 года.