تخيل بلورة نانوية صغيرة جدًا لدرجة أنها تتصرف مثل الذرة. مونجي ج. باويندي, لويس إي بروس و أليكسي آي إيكيموف حصلا على جائزة نوبل في الكيمياء لعام 2023 لاكتشافهما فئة من هذه الأعاجيب الدقيقة، المعروفة الآن باسم النقاط الكمومية، ولتطوير طريقة دقيقة لتركيبها. وقالت لجنة نوبل للكيمياء في إعلانها عن الجائزة إن النقاط الكمومية تلعب بالفعل أدوارًا مهمة في مجال الإلكترونيات والطب الحيوي، كما هو الحال في توصيل الأدوية والتصوير والتشخيص الطبي، ولها تطبيقات واعدة أكثر في المستقبل.

النقاط الكمومية، التي تسمى أحيانًا الذرات الاصطناعية، عبارة عن بلورات نانوية دقيقة مصنوعة من السيليكون ومواد شبه موصلة أخرى يبلغ عرضها بضعة نانومترات فقط، وهي صغيرة بما يكفي لإظهار خصائص كمومية تمامًا كما تفعل الذرات الفردية، على الرغم من أن حجمها يتراوح من مائة إلى بضعة آلاف من الذرات. . ونظرًا لأنه يمكن احتجاز الإلكترونات عند مستويات معينة من الطاقة داخلها، فإن البلورات النانوية يمكنها أن تبعث فقط أطوال موجية معينة من الضوء. ومن خلال التحكم في حجم الجسيمات، يستطيع الباحثون برمجة اللون الدقيق الذي ستومض به النقاط الكمومية عند تحفيزها.

على خشبة المسرح أثناء إعلان جائزة نوبل هذا الصباح، يوهان أكفيستعرض، رئيس لجنة نوبل للكيمياء، سلسلة من خمس قوارير، تحتوي كل منها على سائل متوهج بلون مختلف. كانت السوائل تحتوي على محاليل سائلة من النقاط الكمومية لا يتجاوز حجمها بضعة أجزاء من المليون من المليمتر. وقال أكفيست: عند هذا الحجم الصغير، "تبدأ ميكانيكا الكم في ممارسة جميع أنواع الحيل".

أوضحت ميكانيكا الكم أنه إذا أخذت إلكترونًا وضغطته في مساحة صغيرة، فسيتم ضغط الدالة الموجية للإلكترون هاينر لينكه، عضو لجنة نوبل للكيمياء وأستاذ فيزياء النانو. كلما صغرت المساحة، زادت طاقة الإلكترون، مما يعني أنه يمكن أن يعطي المزيد من الطاقة للفوتون. في جوهر الأمر، يحدد حجم النقطة الكمومية اللون الذي تتألق به. تلمع الجسيمات الصغيرة باللون الأزرق، بينما تلمع الجسيمات الأكبر باللونين الأصفر والأحمر.

بحلول سبعينيات القرن العشرين، عرف الفيزيائيون أن الظواهر الكمومية يجب أن ترتبط نظريًا بجسيمات ذات حجم صغير جدًا، تمامًا كما كان الحال مع الأفلام فائقة الرقة، ولكن بدا من المستحيل اختبار هذا التنبؤ: إذ بدا أنه لا توجد طريقة جيدة لصنع الجسيمات والتعامل معها باستثناء داخل مواد أخرى من شأنها أن تخفي خصائصها. لكن في عام 1970، في معهد إس.آي.فافيلوف الحكومي للبصريات في الاتحاد السوفييتي، غير إكيموف ذلك. أثناء إضافة مركبات النحاس والكلور إلى الزجاج، اكتشف أن لون الزجاج يعتمد كليًا على حجم تلك الجزيئات المضافة. وسرعان ما أدرك أن التأثيرات الكمومية هي التفسير المحتمل.

في عام 1983 في مختبرات بيل، كان بروس يجري تجارب على استخدام الضوء لدفع التفاعلات الكيميائية. لاحظ بروس (الذي يعمل حاليًا في جامعة كولومبيا) أن حجم الجسيمات النانوية يؤثر أيضًا على خصائصها البصرية حتى عندما تطفو بحرية في محلول سائل. قال لينك: "أثار هذا الكثير من الاهتمام".

لم تغب الفائدة الإلكترونية الضوئية المحتملة لمثل هذه الجسيمات عن خبراء التكنولوجيا، الذين اتبعوا خطى مارك ريد من جامعة ييل في الإشارة إليها بالنقاط الكمومية. لكن على مدى العقد التالي، ناضل الباحثون للتحكم بدقة في حجم وجودة هذه الجسيمات.

ومع ذلك، قال أكفيست إنه في عام 1993، اخترع باويندي "طريقة كيميائية بارعة" لصنع جسيمات نانوية مثالية. لقد كان قادرًا على التحكم في اللحظة الزمنية المحددة التي تتشكل فيها البلورات، وكان بعد ذلك قادرًا على إيقاف واستئناف المزيد من النمو بطريقة خاضعة للرقابة. وقد جعل اكتشافه النقاط الكمومية مفيدة على نطاق واسع في مجموعة متنوعة من التطبيقات.

تتراوح تطبيقات هذه الجسيمات النانوية من شاشات LED والخلايا الشمسية إلى التصوير في الكيمياء الحيوية والطب. وقال أكفيست: "تمثل هذه الإنجازات علامة فارقة مهمة في مجال تكنولوجيا النانو".

ما هي النقاط الكمومية؟

وهي عبارة عن جسيمات نانوية من صنع الإنسان صغيرة جدًا بحيث تخضع خصائصها لميكانيكا الكم. وتشمل هذه الخصائص انبعاث الضوء: يعتمد الطول الموجي للضوء المنبعث فقط على حجم الجسيمات. تمتلك الإلكترونات الموجودة في الجسيمات الأكبر طاقة أقل وتبعث ضوءًا أحمر، في حين أن الإلكترونات الموجودة في الجسيمات الأصغر لديها طاقة أكبر وتصدر ضوءًا أزرق.

يمكن للباحثين أن يحددوا بدقة لون الضوء الذي سينبثق من النقاط الكمومية ببساطة عن طريق تنظيم حجمها. وهذا يوفر ميزة كبيرة مقارنة باستخدام الأنواع الأخرى من جزيئات الفلورسنت، والتي تتطلب نوعًا جديدًا من الجزيئات لكل لون مميز.

لا تقتصر هذه الميزة في إمكانية التحكم على لون النقاط الكمومية. ومن خلال ضبط حجم الجسيمات النانوية، يمكن للباحثين أيضًا ضبط تأثيراتها الكهربائية والضوئية والمغناطيسية، بالإضافة إلى خصائصها الفيزيائية مثل نقطة انصهارها أو كيفية تأثيرها على التفاعلات الكيميائية.

كيف جعل عمل باوندي النقاط الكمومية عملية؟

في عام 1993، طور باوندي وفريقه في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا طريقة لإنتاج نقاط كمومية بشكل أكثر دقة وبجودة أعلى مما كان ممكنًا في السابق. لقد وجدوا طريقة لتنمية البلورات النانوية في لحظة عن طريق حقن سلائفها الكيميائية في مذيب شديد الحرارة. ثم أوقف الباحثون على الفور نمو البلورات عن طريق خفض درجة حرارة المذيب، مما أدى إلى تكوين "بذور" بلورية متناهية الصغر. ومن خلال إعادة تسخين المحلول ببطء، تمكنوا من تنظيم المزيد من نمو البلورات النانوية. أنتجت طريقتهم بلورات بالحجم المطلوب بشكل متكرر، وكانت قابلة للتكيف مع أنظمة مختلفة.

أين يتم استخدام النقاط الكمومية؟

إذا سبق لك أن شاهدت برامج على تلفزيون QLED، فقد شاهدت هذه الجسيمات النانوية أثناء اللعب. ولكن يتم استخدامها أيضًا في التصوير الطبي الحيوي والإضاءة. لا يزال الباحثون يستكشفون تطبيقات إضافية لهذه الجسيمات النانوية في الحوسبة الكمومية والاتصالات، والإلكترونيات المرنة، وأجهزة الاستشعار، والخلايا الشمسية الفعالة، والتحفيز للوقود الشمسي.