Zaczynam pisać ten tekst wieczorem w dniu, w którym przyznano nagrodę Nobla w dziedzinie chemii. Otrzymali ją Moungi G. Bawendi, Louis E. Brus i Aleksiej I. Jekimow za „odkrycie i syntezę kropki kwantowej″.

Rano, nim poznaliśmy laureatów, podczas rozmowy w gronie autorów naszego bloga zobowiązałem się do przybliżenia tematu, jeśli nagroda zostanie przyznana za wspomniane wyżej odkrycie. Tak się stało, więc zastanówmy się wspólnie, czym owe kropki są i dlaczego są kwantowe.

Generalnie kropka kwantowa jest to naprawdę niewielki obszar przestrzeni – niewielki, gdyż mówimy o skali nanometrów – otoczony w trzech wymiarach barierą potencjału, zawierający w swoim wnętrzu cząstkę, np. elektron. Do opisu obiektów w takiej skali używamy równań mechaniki kwantowej, np. równania Schrödingera. Skoro ograniczyliśmy przestrzeń, w której cząstka może się znajdować, w trzech wymiarach, to może ona zajmować tylko konkretne, dobrze określone stany energetyczne.

Sam opis w języku mechaniki kwantowej może wydawać się niezrozumiały, bo niby co wynika z faktu, że mówiąc obrazowo, wrzuciliśmy cząstkę do pudła? Wróćmy na chwilę do tekstu Dlaczego złoto jest złote?. Wspomniałem tam o barwach różnych przedmiotów, niekonkretnej barwie metali i konkretnej miedzi oraz złota. Skoro barwa różnych obiektów jest wynikiem pochłaniania oraz emisji fotonów przez elektrony przeskakujące pomiędzy poziomami energetycznymi atomów, to co, gdyby udało się skonstruować obiekt, w którym te poziomy są dobrze określone, a przeskok elektronu można wymusić tak, aby uzyskać emisję światła o określonej barwie, np. zielonej, czerwonej lub niebieskiej albo ich kombinacji, tak aby uzyskać pozostałe barwy?

fot. NASA

No, przecież takie właściwości ma kropka kwantowa! Barwa emitowanego światła zależy od jej rozmiarów. Kwestią techniczną pozostaje więc jedynie przekuć opis matematyczny w fizyczny obiekt mający takie właściwości. Skoro nagrodę przyznano również za syntezę wspomnianej kropki, to bez wątpienia takie obiekty istnieją. Czym więc są? Dowodem na to, że rozmiar ma znaczenie – gdyż jego niezwykłe właściwości ujawniają się dopiero na poziomie dotyczącym zjawisk kwantowych.

fot. RNGS Reuters/Nanosys

Kropki kwantowe to kryształy o średnicy od 2 do 10 nm (1/10 000 średnicy włosa), posiadające właściwości półprzewodnikowe znane z tekstu O lewitacji i bramkach. Wykonane są najczęściej z selenku kadmu oraz tellurku kadmu, jak również innych pierwiastków z grupy II oraz IV. Pierwsze z nich są dziełem A. Jekimow. Stworzył je podczas swoich prac jeszcze w ZSRR, gdzie badał szkło z domieszką chlorku miedzi. Eksperyment polegał na formowaniu szklanej kropli z domieszką wspomnianego związku. Uczony wraz ze swoim zespołem, kontrolując temperaturę oraz tempo, w jakim zachodził ten proces, miał wpływ na rozmiar powstałej kropli, a więc i kryształu wewnątrz niej. Pobudzane promieniami X emitowały światło o długości fali zależnej od ich średnicy. Najmniejsze z kryształów emitowały światło niebieskie, a największe czerwone. Pozwala nam to uzyskać z jednego rodzaju półprzewodnika kropki emitujące światło żądanego koloru.

fot. CC BY-SA 3.0

Naturalnym zastosowaniem takich kropek wydają się być różnego rodzaju wyświetlacze – i jest to prawda. Technologia ta jest wykorzystywana obecnie w niektórych telewizorach LED i OLED. Możliwość umieszczenia w małym obszarze bilionów takich kropek, które zawsze emitują światło o żądanej barwie, jest tym, co odpowiada za wysoką rozdzielczość obrazu. Jednakże wyświetlacze to tylko maleńki wycinek tego, gdzie mogą znaleźć zastosowanie.

Kolejną niezwykle istotną gałęzią jest bez wątpienia medycyna. Dysponujemy tu obiektami w skali nano, które zachowują się w żądany sposób, co czyni je użytecznymi w badaniu nawet pojedynczych komórek. Można „przyczepić″ taką kropkę za pomocą prostych metod do takiej komórki a następnie precyzyjnie obserwować dokładnie określone „błyski″ światła. Pozwala to na przykład na śledzenie komórek nowotworowych czy wirusów. Badanie receptorów erbB/HER może stanowić przykład zastosowania kropek kwanto­wych w tej dziedzinie.

Właściwie nieograniczone możliwości modyfikacji powierzchni takich kryształów czynią je również użytecznymi w „przyczepianiu″ się do konkretnych białek. To teraz wyobraźcie sobie, że mamy możliwość dostarczenia konkretnej cząsteczki np. leku do konkretnej komórki. Taka technologia może być niezwykle użyteczna w onkologii, gdzie pozwoli na precyzyjne niszczenie komórek nowotworowych czy nawet wirusów. Pojęcie „tabletka precyzyjnie trafiająca w źródło…″ może przestać być wyłącznie slangiem reklamowym.

Kropki kwantowe mogą również znaleźć zastosowanie we wszelkich dziedzinach, w których potrzebne jest znakowanie różnych przedmiotów. Przy użyciu takich nanokryształów można oznaczyć specyficznym wzorem np. banknoty, dzieła sztuki etc. Wyobraźcie sobie fałszerzy mających możliwość podrobienia takiego wzoru.

Kropki kwantowe z uwagi na przymiotnik mogą na pierwszy rzut oka wydawać się kolejną egzotyką wymyśloną w laboratoriach, odległą od naszego życia – tymczasem są to realne obiekty, mające realne zastosowania, być może jest to wstęp do prawdziwej nanotechnologii. Zapraszam do zadawania pytań w komentarzach.

(c) by Lucas Bergowsky
Jeśli chcesz wykorzystać ten tekst lub jego fragmenty, skontaktuj się z autorem